3D-OEDL
반도체공학대학원-전기및전자공학부 김상현
3D-OEDL 연구실은 차세대 반도체 및 광전자 집적 시스템의 혁신을 선도하는 연구실입니다. 본 연구실은 모놀리식 3D 집적회로, 차세대 광전자 소자, 중적외선 포토닉스 등 다양한 분야에서 세계적인 연구 성과를 내고 있습니다. 특히, III-V 화합물 반도체와 그룹-IV 재료를 활용한 고성능 트랜지스터, 광소자, 메모리 소자 등의 3D 집적 기술을 개발하여, 기존 2D 집적회로의 한계를 극복하고 있습니다.
MicroLED, 광검출기, 볼로미터, 광위상 변조기 등 다양한 차세대 광전자 소자를 개발하고, 이를 실리콘 기반 또는 이종 소재 기반의 집적회로와 융합하는 연구를 활발히 진행 중입니다. 이러한 소자들은 초고해상도 디스플레이, AR/VR, 환경 및 바이오 센서, 초고속 통신 등 다양한 응용 분야에 적용되고 있습니다. 또한, 원자 단위의 정밀 이미징 및 분석을 위한 Atomic Mapper 소프트웨어 개발 등 소프트웨어와 하드웨어의 융합 연구도 함께 이루어지고 있습니다.
중적외선 포토닉스 분야에서는 Germanium-on-Insulator(GeOI) 기반의 고감도 센서, 마이크로링 공진기, 웨이브가이드 등 다양한 소자를 개발하여, 환경 모니터링, 바이오마커 분석, 통신 등 다양한 분야에 혁신적인 솔루션을 제공하고 있습니다. 이러한 연구는 세계적인 학술지와 국제 학회에서 꾸준히 인정받고 있으며, 국내외 주요 기업 및 연구기관과의 협력도 활발히 이루어지고 있습니다.
연구실은 다수의 특허와 수상 경력을 보유하고 있으며, 실제 산업 현장에 적용 가능한 실용적 기술 개발에도 힘쓰고 있습니다. 학생들은 국제 학회 및 저널에 다수의 논문을 발표하고, 다양한 산학협력 프로젝트에 참여함으로써 실무 역량을 키우고 있습니다.
3D-OEDL 연구실은 앞으로도 모놀리식 3D 집적, 차세대 광전자 소자, 중적외선 포토닉스 등 첨단 분야에서 혁신적인 연구를 지속하며, 미래 반도체 및 광전자 산업의 발전에 기여할 것입니다.
Photodetectors
3D Sequential CFETs
High Electron Mobility Transistors
모놀리식 3D 집적회로(Monolithic 3D Integration)
모놀리식 3D 집적회로 기술은 차세대 반도체 및 집적회로의 혁신적인 패러다임을 제시합니다. 이 기술은 다양한 반도체 소자와 회로를 단일 웨이퍼 상에 수직적으로 적층하여, 기존의 평면(2D) 집적회로에 비해 훨씬 더 높은 집적도와 성능을 구현할 수 있습니다. 본 연구실에서는 III-V 화합물 반도체, 그룹-IV 재료(Ge, Si 등), 그리고 다양한 이종 소재를 활용하여, 고성능 트랜지스터, 광소자, 메모리 소자 등을 3D로 집적하는 기술을 개발하고 있습니다.
특히, 웨이퍼 본딩, 에피택셜 리프트-오프(ELO), 저온 공정 등 다양한 혁신적 공정기술을 적용하여, 서로 다른 소재와 소자를 결함 없이 적층하는 방법론을 연구합니다. 이를 통해 고속 RF 소자, 광소자, 전력 소자, 메모리 소자 등 다양한 기능을 하나의 칩에 집적할 수 있으며, 집적회로의 성능과 에너지 효율을 극대화할 수 있습니다. 또한, 3D 집적에서 발생할 수 있는 열 관리, 신호 간섭, 신뢰성 문제에 대한 해석 및 해결책도 함께 제시하고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 고성능 컴퓨팅, 인공지능 하드웨어, 양자컴퓨팅, 초고속 통신 등 다양한 응용 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 본 연구실의 모놀리식 3D 집적회로 연구는 국내외 주요 학회 및 저널에서 다수의 우수 논문과 특허로 인정받고 있으며, 실제 산업 현장에 적용 가능한 실용적 기술로 발전하고 있습니다.
차세대 광전자 소자 및 집적(Next Generation Optoelectronic Devices & Integration)
차세대 광전자 소자 연구는 고효율, 고성능의 광소자 개발과 이를 기반으로 한 집적 시스템 구현에 중점을 두고 있습니다. 본 연구실에서는 MicroLED, 광검출기(Photodetector), 볼로미터, 광위상 변조기 등 다양한 광전자 소자를 개발하고, 이를 실리콘 기반 또는 이종 소재 기반의 집적회로와 융합하는 기술을 선도하고 있습니다. 특히, MicroLED 디스플레이는 초고해상도, 저전력, 넓은 색 영역을 구현할 수 있어 AR/VR, 차세대 디스플레이, 자동차용 헤드업 디스플레이 등 다양한 분야에서 각광받고 있습니다.
광검출기 및 센서 분야에서는 중적외선(Mid-IR) 영역까지 동작 가능한 고감도, 고속 소자를 개발하여, 환경 센서, 바이오 센서, 통신 등 다양한 응용에 적용하고 있습니다. 또한, 원자 단위의 정밀 이미징 및 분석을 위한 Atomic Mapper 소프트웨어 개발 등 소프트웨어와 하드웨어의 융합 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 이러한 연구는 STEM, HAADF 등 첨단 전자현미경 이미지를 분석하여, 소자 내 원자 구조와 결함을 정밀하게 파악하는 데 활용됩니다.
본 연구실의 광전자 소자 및 집적 연구는 세계적인 학술지와 국제 학회에서 꾸준히 인정받고 있으며, 삼성, SK하이닉스, imec 등 국내외 주요 기업 및 연구기관과의 협력도 활발히 이루어지고 있습니다. 이를 통해 차세대 광전자 집적 시스템의 상용화와 실용화에 기여하고 있습니다.
중적외선(Mid-IR) 포토닉스 및 센서 플랫폼
중적외선(Mid-IR) 포토닉스는 환경, 바이오, 통신 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 하는 차세대 광기술입니다. 본 연구실에서는 Germanium-on-Insulator(GeOI) 기반의 포토닉스 플랫폼을 개발하여, 중적외선 영역에서 동작하는 고감도 광센서, 볼로미터, 광검출기 등을 연구하고 있습니다. 이러한 소자는 미세한 가스 검출, 바이오마커 분석, 환경 모니터링 등 정밀 센싱 분야에 적용될 수 있습니다.
특히, GeOI 기반의 마이크로링 공진기, 웨이브가이드, 볼로미터 등 다양한 소자 구조를 설계 및 제작하여, 중적외선 영역에서의 광손실 최소화와 신호 증폭을 실현하고 있습니다. 또한, 집적형 스펙트로미터, 온칩(ON-CHIP) 센서 등 실용적 시스템 구현을 위한 집적 기술도 함께 연구하고 있습니다. 본 연구실은 이러한 기술을 바탕으로, 기존 실리콘 포토닉스의 한계를 극복하고, 중적외선 영역에서의 새로운 응용 가능성을 제시하고 있습니다.
이 분야의 연구 성과는 ACS Photonics, Optics Express, APL Photonics 등 세계적인 저널에 다수 게재되고 있으며, 국제 특허와 산학협력 프로젝트로도 이어지고 있습니다. 앞으로도 중적외선 포토닉스 및 센서 플랫폼 연구를 통해, 미래 환경 및 바이오 센싱, 통신, 국방 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.
1
Insight on Self-emissive μLEDs Display from Correlation between Surface Current and Efficiency/Emission Properties of Size-dependent μLEDs
W. -J. Baek, J. Park, H. -S. Kim, D. -M. Geum, J. -H. Min, T. -H. Chung, S. -H. Kim*
ACS Photonics, 2025
2
Heterogeneous 3D Sequential CFET with Strain-Engineered Ge (100) Top-Channel pMOSFET on Bulk Si (100) nMOSFET
H. -R. Lim, S. -K. Kim, S. W. Lee, Y. Park, J. Jeong, H. Jeong, J. Lim, D. -M. Geum, J. -H. Han, Y. Kim, J. Jeong, B. -J. Cho, S. -H. Kim*
IEEE Transactions on Electron Devices, 2025
3
Superior QLC Retention Enhancement of a Large Memory Window FEFET Through Gate-Stack Engineering
S. -H. Kuk, B. -H. Kim, Y. Park, K. Ko, H. -S. Hwang, B- J. Cho, J. -H. Han, S. -H. Kim*
IEEE Transactions on Electron Devices, 2025
