왼쪽부터 박요셉 석사과정생(제1저자), 박윤경 석사과정생(공저자), 최현석 석사

과정생(공저자), 임수빈 석사과정생(공저자), 이영훈 교수(교신저자)

인천대학교 전자공학부·지능형반도체공학과 이영훈 교수 연구팀은 대규모 양자컴퓨팅 시스템 구현을 위한 극저온 전자 인터페이스에 활용할 수 있는 초저전력 위상 트랜지스터를 이론적으로 설계하는 데 성공했다.

대규모 양자컴퓨팅 시스템을 구현하기 위해서는 양자 프로세서와 연결되는 극저온(4K 이하) 전자 제어·판독 회로가 필수적이다. 그러나 기존에 활용되어 온 III-V족 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 냉각 장치의 냉각 용량을 초과하는 전력 소모 문제로 인해 대규모 큐비트 집적에 한계가 있다. 

인천대 연구팀은 기존 HEMT를 대체할 수 있는 새로운 소자 구조인 NC-TIFET (Negative-Capacitance Topological Insulator Field-Effect Transistor) 를 이론적으로 제안하고 분석했다. 이 소자는 2차원 위상절연체 1T′-MoS2 (1T′ 상 이황화 몰리브덴)의 고유한 위상학적 특성과 강유전체 게이트 절연체 HZO (하프늄-지르코늄 산화물)의 음의 정전용량 효과를 결합한 구조다.

연구팀의 이론 분석에 따르면, NC-TIFET은 4K 극저온 환경에서 드레인 전압 0.05 V에서 20 mV 미만의 스위칭 전압을 달성했으며, 0.1 V 조건에서는 26 S/mm에 달하는 매우 높은 트랜스컨덕턴스(gm)를 보였다. 이는 보고된 극저온 HEMT의 최고 실험값(0.8 S/mm)보다 30배 이상 높은 성능으로, 대규모 양자컴퓨팅용 극저온 전자 인터페이스의 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있음을 시사한다.

이영훈 교수는 "이번 연구는 위상절연체의 고유한 물리적 특성과 강유전체 음의 정전용량 효과를 결합해 기존 HEMT의 전력 소모 한계를 넘어설 수 있는 새로운 트랜지스터 개념을 제시했다"며, "향후 채널 소재인 1T′상 이황화 몰리브덴의 준안정 상 안정화 기술과 실험적 구현 연구가 진행된다면, 대규모 양자컴퓨팅 시스템 실용화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 나노 분야 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 2월 게재되었으며, 부표지논문(Supplementary Cover)으로도 선정되었다. 논문 제목은 ‘Designing Extremely Low-Power Topological Transistors with 1T′-MoS2 and HZO for Cryogenic Applications’이다.

양자컴퓨터 극저온 전자 인터페이스에 활용 가능한 강유전체 기반 위상절연체 트랜지스터(NC-TIFET)의 개념도가 실린 Nano Letters 표지논문(좌), NC-TIFET 모식도 및 강유전체 도입을 통한 NC-TIFET의 급격한 스위칭 특성 발생을 나타낸 결과(우). (자료=인천대 제공)