새로운 기술이 나타났을 때, 이 기술을 어떻게 사용할 것이며 어느 분야까지 확대시켜 활용할 것인지는 기술 자체가 아닌 그 기술을 가꾸는 연구자의 몫이라고 해도 과언이 아니다. 국내에서는 많이 알려지지 않은 GeSn을 미국에서 연구할 당시 처음 접한 가천대학교 전자공학과 조성재 교수는 역시 그 기로에 놓여있다. 조 교수는 현재 ‘GeSn을 소스 접합 물질로 하는 터널링 전계효과 트랜지스터: 전자 및 광학소자 응용 연구’를 통해, 연구 결과들이 차세대 VLSI 기술 개발에 적극적으로 활용될 수 있도록 힘쓰고 있다.
국내 활용도가 높을 GeSn 연구 매진
저마늄(Ge)에 주석(Sn)을 넣게 되면 전자 및 정공의 이동도가 높아지는 효과가 있다. 즉, 실리콘(Si)에 Ge을 넣어 캐리어의 이동도를 높였던 효과를 Ge에 Sn을 함유함으로써 기대할 수가 있다. 또한 Sn을 넣게 되면 간접 밴드갭 반도체 물질인 Ge을 직접 밴드갭 물질로 바꿀 수 있게 된다. 이 때, 에너지 밴드갭의 크기 자체가 작아지게 되므로 GeSn을 터널링 전계효과 트랜지스터의 소스 접합 물질로 활용한다면 소스 영역의 가전자대 전자들의 채널 영역 전도대역으로의 터널링 확률을 높여 기존의 터널링 전계효과 트랜지스터 대비 구동 전류를 향상시킬 수 있다. Ge, Sn은 Si과 같은 4족 원소들로서 실리콘 집적 가능성이 실험적으로 어느 정도 확보된 상황이어서 Si 기반의 향상된 성능의 터널링 전계효과 트랜지스터 및 광원 소자를 구현할 수 있는 효과들을 동시에 누릴 수 있다.
광검출기나 광변조기 등의 수동소자들은 활성 영역의 물질이 직접 밴드갭 물질인지의 여부에 의존하지 않으나 직접 밴드갭 물질이어야 광 발생을 기대할 수 있다. 순수한 Si이나 Ge은 간접 밴드갭 물질이기에 발광 효율이 극히 낮아 실생활에 사용하기에는 한계가 있어 Si 기반의 포토닉스에서 그 물질들 자체로 광원을 구현하는 일은 큰 난제로 여겨져 왔다. 원자간 간격과 에너지 밴드 구조를 변화시켜 직접 밴드갭 물질로 바꾸어 광원으로 사용하기 위한 노력들이 근래 적극적으로 이루어지고 있으며 Sn을 도입하는 방법 역시 그러한 노력의 일환으로 이해할 수 있다. Ge에 대한 Sn의 고체 용해도가 높지 않다는 기술적인 어려움이 있기는 하지만 외력이 가해지지 않은 Ge에 7% 이상의 Sn이 함유되면 직접 밴드갭이 되고 기판을 Si으로 삼는다면 Sn은 Si이 Ge에 가하는 압축력을 극복하면서 Ge에 인장력을 가해야 하므로 10% 이상 함유되어야 한다는 이론적인 결과를 토대로 조 교수는 GeSn을 광학 소자에도 적극적으로 활용해보고자 한다.
조 교수는 “터널링 전계효과 트랜지스터에 대한 연구는 국내외에서 활발하게 이루어지고 있습니다. 터널링 확률을 더욱 높여 구동 전류를 향상시킴으로써 보다 이상적인 스위칭 소자로서의 터널링 전계효과 트래지스터를 개발하고 싶습니다. GeSn이 그러한 목표를 달성할 수 있는 소스 접합 물질이 될 수 있으며 광원을 위한 반도체 소자의 기반 물질로도 활용을 할 수 있습니다. 아직 Sn 함량에 따른 캐리어 이동도, 전자친화도, 굴절률 등 기본적인 전기적 · 광학적 파라미터들이 체계적으로 데이터베이스화 되어 있지 않은 상황이므로 물질 자체의 보다 심도 있는 연구를 수행하고 제가 전공한 반도체 소자 지식을 활용하여 실제 전자 소자 및 광학 소자를 구현하고자 합니다”라고 전했다.
이 연구를 통해 보다 이상적인 스위칭 소자로서의 터널링 전계효과 트랜지스터를 만들 수 있게 되며 근적외선 영역의 빛을 낼 수 있는 광원을 구현할 수가 있다. Sn을 넣게 되면 에너지 밴드갭의 크기가 Sn을 넣지 않은 상태의 Ge의 에너지 밴드갭인 0.8 eV 미만으로 줄어들게 되므로 1.55 μm 이상의 근적외선 영역의 광신호를 낼 수 있게 되는데 이를 Si 기반의 광학 배선(optical interconnect) 기술에도 적용할 수 있다. 2000년대 중반부터 차세대 배선(interconnect) 기술로 본격적으로 언급돼 온 광학 배선은 단순히 기존의 배선만을 바꾸는 것이 아니라 전기 신호와 광학 신호를 변환하고 처리하는 요소들, 광원들을 포괄하므로 기반 물질 레벨에서의 뒷받침이 우선적으로 이루어져야 한다. 따라서 조 교수의 연구 결과들은 차세대 VLSI에 기여를 할 수 있을 것으로 여겨진다.
본래 반도체 소자 및 공정을 공부하며 3차원 구조의 실리콘 반도체 메모리로 박사학위를 받은 조 교수는 2010년 미국 박사후 연구원 시절 GeSn이라는 물질을 처음 알게 되어 관련 연구를 시작하였다. 4%의 Sn을 함유한 GeSn 기반의 실제 디바이스를 처음으로 제작하여 2011년 IEEE Photonics Technology Letters에 GeSn 기반의 회랑모드로 동작하는 마이크로 디스크 형 광학 공진기에 관한 논문을 발표하기도 하였다. 국내에서의 관련 기술 발전에 기여할 수 있는 차세대 반도체 물질임을 어필하며 연구를 이끌어가고 있다.
국가 기술발전과 후계양성에 기여
2013년 가을 교직자로서의 첫 발을 내딛은 조 교수는 연구자이자 교직자로서 국가에 기여할 수 있는 사람이 되겠다는 굳은 심지를 느낄 수 있었다. 연구자로서는 국가 기술 발전에 기여하고자 하는 바람을 이루는 것이 큰 기쁨일 것이며, 교육자로서는 학생들이 조 교수의 수업이나 연구를 통해 반도체 분야에 관심을 가져 앞으로 전문성을 가지고 일할 수 있는 후계를 양성할 수 있다면 그보다 큰 보람이 없을 거라고 하였다. 이러한 뜻을 가져서인지 학생들을 대하는 조 교수의 모습은 남다르다.
“물리전자공학, 반도체공학, 차세대 반도체소자, VLSI 공정 및 설계 등을 가르치고 있는데, 학생들이 반도체에 관심을 가지고 수업을 들으러 오는 것만으로도 기분이 좋습니다. 학생들이 꾸준히 이 분야에 관심을 갖고 연구를 계속해 우리나라 산업에 보탬이 되는 일을 해주면 좋겠습니다.” 또한 “가끔씩 반도체 수업의 어려움을 호소하는 학생들도 있습니다. 물론 제가 더 나은 교수법으로 접근해야 하는 부분도 있고 때로는 제가 학생들 스스로 공부할 수 있도록 의도적으로 어렵게 만드는 부분도 있습니다. 또 반도체 분야 공부의 고유한 어려움이 있을 수도 있지만, 저는 학생들의 이러한 호소는 반도체 분야이기 때문에, 공부 또는 학문이기 때문에 나타내는 반응이 아니라 학생들이 살아가면서 겪게 되는 어려운 일들에 대한 반응일 수 있다고 이야기해줍니다. 학생들이 나중에 새로운 것들을 공부하거나 해보지 않은 일들을 새로 해야 하는 등 다양한 변화의 경험들은 얼마든지 하게 될 것이고 급변하는 사회 분위기 역시 점차 그러한 능력을 더욱 요구하게 될 것으로 생각합니다. 이 모든 과정은 결국 배움의 연속입니다. 그래서 지금 나와 만나 공부하는 시간은 내가 해본 적이 없다거나 못한다고 여기는 어려움들을 극복하는 과정이라 여기면서 스스로가 만든 장벽을 넘어설 수 있도록 조언해주고 있습니다. 제가 전하는 지식을 잘 받아들이는 것도 중요하지만 공부하는 마음 자체를 만들어갈 수 있으면 좋겠습니다”라고 전했다.
학생들이 수업 들으러 오는 것만으로도 기분이 좋다고 하는 모습, 수업이나 연구를 수행하는 모습을 보며 반도체 분야에 관심을 갖고 성장해나가길 바란다는 모습에서 교직자이자 연구자로서 국가 기술 발전과 후계 양성에 기여하고자 하는 마음을 엿볼 수 있었다. 각각의 위치에서 빛을 낼 향후가 주목된다.
