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고전자이동도 인듐갈륨비소 기반의 다중가교채널 트랜지스터 개발
세계 3대 반도체 학술대회인 ‘vlsi 심포지엄’에서 공개

경북대 전자공학부 김대현 교수팀이 차세대 반도체 물질인 고전자이동도 인듐갈륨비소 기반의 다중가교채널 트랜지스터(multi-bridge channel field-effect-transistor, mbcfet) 전자소자를 세계 최초로 개발했다. 기존 실리콘 기반이 아닌 신소재인 인듐갈륨비소 기반의 반도체 소자 개발로, 국내 실리콘 기반 반도체 대기업인 삼성과 sk하이닉스 시스템 반도체의 미래 기술에 새로운 선택지를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

연구 결과는 6월 16일(미국현지시간) 미국 하와이주 호놀룰루에서 열린 ‘vlsi 심포지엄(symposium on vlsi technology & circuits)’에서 공개됐다. vlsi 학회는 세계 3대 반도체 학회 중 하나로, 매년 미국과 일본에서 번갈아가며 심포지엄을 개최한다.

다중가교채널 트랜지스터는 핀펫(fin field-effect-transistor, finfet)의 뒤를 이을 차세대 트랜지스터 소자 구조로 각광받고 있다. 여러 층의 채널이 수직방향으로 적층된 3차원 형태의 소자로, 트랜지스터의 성능과 효율을 향상시킬 수 있다. 하지만 복잡한 구조를 구현하기 위한 기술적 난이도가 높아 다중가교채널 트랜지스터 관련 연구는 대부분 삼성전자, tsmc, ibm, 인텔과 같은 글로벌 대기업들에 의해 주도되어 왔다.

김대현 교수팀은 반도체 제조 중견기업인 ㈜큐에스아이, 한국나노기술원 연구진과의 공동 연구로 반도체 에피, 공정 및 집적화 등의 모든 과정을 순수 국내 기술로 인듐갈륨비소 기반의 다중가교채널 트랜지스터를 세계 최초 개발했다. 연구팀은 실제 제품에 적용할 경우 기존 실리콘 소자 대비 최소 5배 빠른 속도를 가질 것으로 예상된다고 설명했다.

연구책임자인 김대현 교수는 “현재 실리콘 기반 반도체 소자 집적 공정은 지속적으로 미세화되고는 있지만, 이후 폭발적인 증가가 예상되는 데이터 처리 수요를 충족하기 위해서는 공정의 미세화와 더불어 소자의 3차원 집적화 및 고성능 고효율의 화합물 반도체 신소재 도입 등의 혁신적인 해결책이 필수적이다.”라며, “이번 연구는 새로운 구조와 신소재를 도입한 다중가교채널 트랜지스터 소자가 실제로 충분히 경쟁력 있는 성능을 가지고 있음을 입증했으며, 관련된 화합물 반도체 일괄 공정을 100% 국내 순수 기술로 달성했다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구에서 얻은 재성장 기반의 집적화 공정 기술은 현재 ㈜큐에스아이와 공동개발 중인 차세대 통신용 반도체소자 개발에서 새로운 혁신을 가져올 것으로 기대된다.”라고 설명했다.

한편 이번 연구는 삼성미래기술육성재단과 삼성전자에서 지원하는 ‘삼성미래기술육성사업’의 지원을 받아 진행됐다.

World’s First New Material-Based Semiconductor Device Developed by Professor Daehyun Kim’s Team at Kyungpook National University

The development of multi-bridged channel transistors based on high electron mobility indium gallium arsenide was presented at the VLSI Symposium, the worlds third largest semiconductor conference.

Professor Daehyun Kims team at the KNU School of Electronics Engineering has developed the worlds first Multi-Bridge Channel Field-Effect-Transistor (MBCFET) based on the next generation of semiconductor materials using high electron mobility indium gallium arsenide. Developing semiconductor devices based on the new material indium gallium arsenide, rather than the currently used silicon, is expected to provide new options for future technologies for Samsung and SK Hynix, the domestic silicon-based semiconductor giants.

The research results were presented on June 16, 2022, at the Symposium on VLSI Technology & Circuits held in Honolulu, Hawaii, USA. The VLSI Symposium is one of the three largest global semiconductor societies, and it holds symposiums in the United States and Japan alternately every year.

The Multi-Bridge Channel field-effect-transistor is becoming popular as a next-generation transistor device structure that will follow fin field-effect-transistors (FinFETs). The transistor is a three-dimensional element in which multiple channel s are stacked vertically, thereby improving its performance and efficiency. However, due to the high technical difficulty required to implement such complex structures, global conglomerates such as Samsung Electronics, TSMC, IBM, and Intel have primarily led the research efforts on multi-channel transistors.

In collaboration with researchers from both QSI (Quantum Semiconductor International) Corp., a medium-sized semiconductor manufacturing company, and KANC (Korea Advanced Nano Fab Center), Professor Daehyun Kims team developed the worlds first Multi-Bridge Channel Field-Effect-Transistor based on indium gallium arsenide, solely using domestic technology for all processes, including semiconductor epitaxy, processing, and integration. The research team explained that when the new transistors are applied to products, their speed is expected to be at least five times faster than conventional silicon devices.

The team’s research director, Professor Daehyun Kim, also noted, While the current silicon-based semiconductor integration process continues to be refined, in order to meet future data processing demands, which are expected to increase rapidly, innovative solutions such as process miniaturization with 3D integration of components, and the introduction of new high-performance, high-efficiency compound semiconductor materials are essential. This study proved that Multi-Bridge Channel Field-Effect-Transistor devices adopting a new structure and new materials perform at a sufficiently competitive level. The related compound semiconductor batch process is also meaningful because it has been achieved using 100% domestic technology. The regrowth-based integration processing technology obtained from this research is expected to usher in new innovations in the development of next-generation communication semiconductor devices currently being jointly developed together with QSI.“

This research was conducted with the support of the ‘Samsung Future Technology Promotion Project,’ which is supported by the Samsung Science & Technology Foundation and Samsung Electronics.