 ▲ MDTLAB 연구원 왼쪽부터 박요셉 석사과정생(제1저자), 박윤경 석사과정생(공저자), 최현석 석사 과정생(공저자), 임수빈 석사과정생(공저자), 이영훈 교수(교신저자) (사진=인천대 제공) © 박상도 기자 |
(브레이크뉴스인천 박상도 기자) 인천대학교 전자공학부·지능형반도체공학과 이영훈 교수 연구팀은 대규모 양자컴퓨팅 시스템 구현을 위한 극저온 전자 인터페이스에 활용할 수 있는 초저전력 위상 트랜지스터를 이론적으로 설계하는 데 성공했다고 밝혔다.
인천대에 따르면, 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.
 ▲ 커버사진 및 모식도(사진제공:인천대학교) © 박상도 기자 |
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 선정됐다.
논문 제목은 ‘Designing Extremely Low-Power Topological Transistors with 1T′-MoS2 and HZO for Cryogenic Applications’이다.
*아래는 위 기사를 ‘구글 번역’으로 번역한 영문 기사의 [전문]입니다.‘구글번역’은 이해도 높이기를 노력하고 있습니다. 영문 번역에 오류가 있을 수 있음을 전제로 합니다.<*Below is the full text of the English translation of the above article, translated using Google Translate. Google Translate strives to improve comprehension. Please understand that there may be errors in the English translation.>
Incheon National University Research Team Designs Ultra-Low-Power Phase Transistor for Quantum Computer Implementation
-Break News Incheon Park Sang-do Reporter
A research team led by Professor Lee Young-hoon of the Department of Electronic Engineering and Department of Intelligent Semiconductor Engineering at Incheon National University announced that they have theoretically designed an ultra-low-power phase transistor that can be used as an ultra-low-temperature electronic interface for implementing large-scale quantum computing systems.
According to Incheon National University, implementing large-scale quantum computing systems requires ultra-low-temperature (4K or lower) electronic control and readout circuits connected to quantum processors.
However, existing III-V high electron mobility transistors (HEMTs) have limitations in large-scale qubit integration due to power consumption exceeding the cooling capacity of the cooling device.
A research team at Incheon National University theoretically proposed and analyzed a novel device structure, the NC-TIFET (Negative-Capacitance Topological Insulator Field-Effect Transistor), that could replace conventional HEMTs.
This device combines the unique topological properties of the two-dimensional topological insulator 1T′-MoS2 (1T′ molybdenum disulfide) with the negative capacitance effect of the ferroelectric gate insulator HZO (hafnium-zirconium oxide).
According to the research team's theoretical analysis, the NC-TIFET achieved a switching voltage of less than 20 mV at a drain voltage of 0.05 V in a cryogenic environment of 4 K, and exhibited an exceptionally high transconductance (gm) of 26 S/mm at 0.1 V.
This performance is over 30 times higher than the best experimental performance (0.8 S/mm) reported for cryogenic HEMTs, suggesting a potential for a dramatic reduction in power consumption for cryogenic electronic interfaces for large-scale quantum computing.
Professor Lee Young-hoon stated, "This study presents a new transistor concept that combines the unique physical properties of topological insulators with the negative capacitance effect of ferroelectrics to overcome the power consumption limitations of existing HEMTs." He added, "If future research on the metastable phase stabilization technology and experimental implementation of 1T′-phase molybdenum disulfide as a channel material is conducted, it will significantly contribute to the practical application of large-scale quantum computing systems."
The results of this study were published in February in the international nanotechnology journal Nano Letters and were also selected as the Supplementary Cover Paper.
The paper is titled "Designing Extremely Low-Power Topological Transistors with 1T′-MoS2 and HZO for Cryogenic Applications."
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