강대원(Dawon Kahng), MOSFET과 Floating Gate
저는 여름 휴가 동안 반도체 발전에 주요한 기여를 한, 한국인 몇 분을 소개합니다. 이번 글은 둘째 순서입니다.
강대원 Dawon Kahng, MOSFET과 Floating Gate
2024년 8월 7일(수)
강대원 박사, 그는 누구인가?
(故) 강대원 (姜大元, Dawon David Kahng 1931년-1992년
한국이 낳은 세계적인 반도체 물리학자인 강대원 박사는 1931년 서울에서 태어났습니다. 그는 1955년에 서울대 물리학과를 졸업하고, 미국 오하이오 주립대학교 전자공학과에서 1956년에 석사 및 1959년에 박사학위를 취득하였습니다.
그 후, 강대원 박사는 당시 세계 최고 연구소인 Bell Lab에 입사하여 1960년에 MOSFET을 개발하였습니다. MOSFET은 세계 최초의 반도체인 BJT(Bipolar Junction Transistor)와는 달리 반도체를 고집적 및 양산이 가능한 구조로 오늘날 Intel의 CPU나 SK하이닉스, 삼성전자의 DRAM 등의 기초 소자로 활용 되고 있습니다.
또한 MOSFET은 과거 진공관과 Transistor로 대표되는 초기 전자회로 시대를 뛰어넘어 IC시대(집적회로)로 발전하는데 가장 기초적이고 획기적인 발명품으로 인정을 받고 있으며, 현재 상용화 되고 있는 모든 digital 전자회로의 토대입니다. 2009년 그 공로를 인정받은 강대원 박사는 토마스 에디슨을 비롯해 라이트 형제, 노벨 등이 이름을 올린 미국 상무부 산하 특허청의 '발명가 명예의 전당(National Inventors Hall of Fame)'에 나란히 이름을 올리게 되었습니다.
한국인으로는 최초로 국제전기전자기술자협회(IEEE)와 Bell Telephone Laboratories의 Fellow였던 강대원 박사는 NAND Flash의 Floating Gate 분야에서 중요한 기여를 하였으며, 35개 이상의 논문과, 책을 썼으며 22개의 미국 특허를 가지고 있습니다.
1988년 Bell Lab 은퇴한 후, 4년간 미국 NEC lab에서 일하셨습니다.
주요 연구 업적: 반도체인이라면 꼭 알아야 할, 강대원 박사의 발명 2가지
#01: 모스펫 / MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) 미국 특허 번호: 3102230
1960년 강박사가 발명한 것으로 p-type 또는 n-type Si 기판 표면에 drain과 source 역할을 하는 2개의 well을 형성합니다. 그 뒤 반도체 상부에 유전체 (SiO2)를 형성하고, 그 상부와 p-well 사이에 metal gate를 형성하는 특허로서 현재 거의 대부분의 IC에 사용되는 MOSFET의 형태과 구성 성분, 그리고 동작 원리를 발명하였습니다.
1947년 Bell lab의 3인이 공동 개발한 세계 최초의 반도체 트랜지스터 소자인 BJT (Bipolar Junction Transistor)는 특성상 고집적화나 대량 양산에 한계가 있었습니다. 또 전력소비가 크고 제조가 까다로워 제품화가 곤란한 반도체 소자였습니다.
이러한 기존 반도체로는 생산성이 떨어지는 문제 및 전력 소비 문제를 해결하고자, 1960년 강대원 박사와 M.M Atalla가 MOSFET을 개발하여 대량 생산이 가능한 반도체 산업의 기초를 닦았습니다. 현재 CPU, DRAM, NAND 등 거의 모든 반도체가 이 MOSFET을 기반으로 만들어집니다.
1959년 최초의 집적회로(IC)를 만든 Jack Kilby는 2000년 노벨상 수상 공적서에 MOSFET을 언급했죠.
#02: 비휘발성 반도체 기억장치 (Non-Volatile Floating-Gate Memory) 미국 특허 번호: 3500142
MOSFET을 발명한 7년 뒤인 1967년 강대원 박사는 S.M.Sze와 함께 또 다른 발명을 발표하였습니다.
간단히 소개하면, 기존 MOSFET의 metal gate 상부에 전기적으로 절연된 floating gate를 추가하여 절연체-금속-절연체의 샌드위치 구조를 형성합니다. Control gate에 외부 전계를 인가하면 전하가 tunneling에 의해 floating gate 층에 들어갑니다. 이후 외부 전계를 제거해도 metal 층의 전하에 의해 전계가 유지되고, 이로 인해 기판에 channel이 지속됩니다. Floating gate 내의 전하를 제거하기 전까지는 source와 drain 사이에 전류가 흐를 수 있는 channel이 계속 존재하는 memory 기능을 갖습니다. Energy Band Diagram으로 전하 주입의 과정과 기억효과를 정확히 표현하고 있습니다.
몇 편의 youtube 영상이 있습니다. 회사 SK hynix와 SK mySUNI에서도 몇 가지 다룬 영상이 있습니다.
나무위키에도 어느 정도 소개가 있습니다. https://namu.wiki/w/강대원
1976년 회고 논문 TED(IEEE Transaction of Electronic Devices)이 있습니다. “MOS Transistor 및 관련 장치의 개발에 대한 역사적 관점” A historical perspective on the development of MOS transistors and related devices
엄청난 논문입니다. 번역과 강독을 통해 이 분의 지혜를 많이 얻을 수 있습니다. 공부하고 싶은 분은 제게 연락 주세요~ ^^;
참고로 S.M. Sze는 나중에 교수가 되어~ 주옥같은 반도체 서적을 저술하셨습니다. <Physics of Semiconductor Devices> 그리고 <Tr 75>책의 15장 Floating-Gate Memory: A Prime Technology Driver of the Digital Age 를 쓰셨습니다.
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