나노스케일 트랜지스터로 전자기기의 효율성이 더욱 높아질 수 있다

신호를 증폭하고 전환하는 데 사용되는 실리콘 트랜지스터는 스마트폰에서 자동차에 이르기까지 대부분의 전자 기기에 필수적인 구성 요소입니다. 그러나 실리콘 반도체 기술은 트랜지스터가 특정 전압 이하에서 작동하지 못하게 하는 근본적인 물리적 한계에 의해 제한됩니다.

"볼츠만의 폭정"으로 알려진 이 한계는 컴퓨터 및 기타 전자 제품의 에너지 효율성을 방해하는데, 특히 더 빠른 계산 속도를 요구하는 인공지능 기술의 급속한 발전에 방해가 됩니다.

이러한 실리콘의 근본적인 한계를 극복하고자 MIT 연구진은 독특한 초박형 반도체 소재 세트를 사용하여 다른 유형의 3차원 트랜지스터를 제작했습니다.

몇 나노미터 너비에 불과한 수직 나노와이어를 특징으로 하는 이 장치는 기존 장치보다 훨씬 낮은 전압에서 효율적으로 작동하면서 최첨단 실리콘 트랜지스터와 비교할 수 있는 성능을 제공할 수 있습니다.

"이 기술은 실리콘을 대체할 수 있는 잠재력을 지닌 기술로, 실리콘이 현재 가지고 있는 모든 기능을 사용할 수 있으면서도 훨씬 더 뛰어난 에너지 효율을 낼 수 있습니다." MIT 포스트닥이자 새로운 트랜지스터에 대한 논문의 주저자인 얀지에 샤오의 말입니다.

트랜지스터는 양자 역학적 특성을 활용하여 단 몇 제곱 나노미터의 영역 내에서 저전압 작동과 고성능을 동시에 달성합니다. 매우 작은 크기 덕분에 이러한 3D 트랜지스터를 컴퓨터 칩에 더 많이 패키징할 수 있어 빠르고 강력하면서도 에너지 효율성이 더 높은 전자 장치가 탄생합니다.

"기존 물리학으로는 갈 수 있는 데 한계가 있습니다. Yanjie의 연구는 우리가 그보다 더 잘할 수 있음을 보여주지만, 우리는 다른 물리학을 사용해야 합니다. 이 접근 방식이 미래에 상용화되려면 아직 극복해야 할 과제가 많지만, 개념적으로는 정말 획기적인 진전입니다." MIT 전기공학 및 컴퓨터과학부(EECS)의 Donner 공학 교수이자 수석 저자인 Jesús del Alamo의 말입니다.

이 논문에는 도쿄 전력 회사 원자력 공학 교수이자 MIT 재료 과학 및 공학 교수인 Ju Li, EECS 대학원생 Hao Tang, MIT 포스트닥 Baoming Wang, 이탈리아 우디네 대학교의 Marco Pala와 David Esseni 교수가 참여했습니다. 이 연구는 Nature Electronics에 게재되었습니다.

실리콘을 능가하다

전자 장치에서 실리콘 트랜지스터는 종종 스위치로 작동합니다. 트랜지스터에 전압을 인가하면 전자가 에너지 장벽을 넘어 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하여 트랜지스터를 "꺼짐"에서 "켜짐"으로 전환합니다. 트랜지스터는 전환을 통해 이진 숫자를 표현하여 계산을 수행합니다.

트랜지스터의 스위칭 슬로프는 "오프"에서 "온"으로의 전환의 날카로움을 반영합니다. 슬로프가 가파를수록 트랜지스터를 켜는 데 필요한 전압이 적고 에너지 효율성이 높아집니다.

하지만 전자가 에너지 장벽을 이동하는 방식 때문에 볼츠만의 독재는 실온에서 트랜지스터를 전환하기 위해 특정 최소 전압이 필요합니다.

실리콘의 물리적 한계를 극복하기 위해 MIT 연구진은 갈륨 안티모나이드와 인듐비소화물이라는 다른 반도체 소재를 사용하고 양자 터널링이라는 양자 역학의 고유한 현상을 활용하도록 장치를 설계했습니다.

양자 터널링은 전자가 장벽을 관통하는 능력입니다. 연구자들은 이 특성을 활용하여 전자가 에너지 장벽을 넘지 않고 밀어내도록 하는 터널링 트랜지스터를 제작했습니다.

샤오는 "이제 기기를 매우 쉽게 켜고 끌 수 있습니다."라고 말했습니다.

그러나 터널링 트랜지스터는 급격한 스위칭 슬로프를 가능하게 할 수 있지만, 일반적으로 낮은 전류로 작동하여 전자 장치의 성능을 저해합니다. 까다로운 애플리케이션을 위한 강력한 트랜지스터 스위치를 만들려면 더 높은 전류가 필요합니다.

세밀한 제작

나노스케일 연구를 위한 MIT의 최첨단 시설인 MIT.nano의 도구를 사용하여 엔지니어들은 트랜지스터의 3D 기하학을 신중하게 제어하여 직경이 6나노미터에 불과한 수직 나노와이어 이종 구조를 만들어냈습니다. 그들은 이것이 지금까지 보고된 가장 작은 3D 트랜지스터라고 믿습니다.

이러한 정밀한 엔지니어링 덕분에 그들은 날카로운 스위칭 슬로프와 높은 전류를 동시에 달성할 수 있었습니다. 이는 양자 구속이라는 현상 때문에 가능합니다.

양자 구속은 전자가 움직일 수 없을 만큼 작은 공간에 갇혀 있을 때 발생합니다. 이런 일이 발생하면 전자의 유효 질량과 재료의 속성이 바뀌어 장벽을 통한 전자의 더 강한 터널링이 가능해집니다.

트랜지스터가 매우 작기 때문에 연구자들은 매우 얇은 장벽을 제작하는 동시에 매우 강력한 양자 제한 효과를 만들어낼 수 있습니다.

샤오는 "우리는 이러한 재료 이종 구조를 설계할 때 많은 유연성을 갖고 있어 매우 얇은 터널링 장벽을 달성할 수 있고, 이를 통해 매우 높은 전류를 얻을 수 있습니다."라고 말했습니다.

이를 달성할 수 있을 만큼 작은 장치를 정밀하게 제작하는 것은 가장 큰 과제였습니다.

"우리는 이 작업에서 단일 나노미터 차원에 정말로 빠져 있습니다. 이 범위에서 좋은 트랜지스터를 만들 수 있는 그룹은 전 세계적으로 매우 드뭅니다. Yanjie는 매우 작은 크기의 잘 작동하는 트랜지스터를 만드는 데 매우 유능합니다."라고 del Alamo는 말합니다.

연구자들이 장치를 테스트했을 때, 스위칭 슬로프의 날카로움은 기존 실리콘 트랜지스터로 달성할 수 있는 기본 한계보다 낮았습니다. 그들의 장치는 또한 유사한 터널링 트랜지스터보다 약 20배 더 나은 성능을 보였습니다.

샤오는 "이 설계로 이렇게 급격한 스위칭 경사도를 달성한 것은 처음입니다."라고 덧붙였습니다.

연구자들은 이제 트랜지스터를 전체 칩에 걸쳐 더 균일하게 만들기 위해 제조 방법을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 이렇게 작은 장치에서는 1나노미터의 변화도 전자의 행동을 바꾸고 장치 작동에 영향을 미칠 수 있습니다. 그들은 또한 수직 나노와이어 트랜지스터 외에도 수직 핀 모양 구조를 탐구하고 있으며, 이는 칩의 장치 균일성을 잠재적으로 개선할 수 있습니다.

이 연구는 일부 측면에서 인텔사의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241104112321.htm