연구자들은 물질적 수준에서 트랜지스터를 다시 생각합니다.

트랜지스터는 크기와 속도 면에서 물리적 한계에 도달하고 있습니다. 트랜지스터가 작아질수록 소스와 드레인 사이의 거리가 줄어들어 누설 전류가 높아집니다. 그리고 트랜지스터 크기가 원자 수준에 가까워질수록 전류 흐름을 제어하기 어려워 계산 오류가 발생할 확률이 높아집니다.

트랜지스터가 작을수록 스위칭 속도가 느려지는데, 이는 대규모 데이터 세트를 처리해야 하는 인공 지능과 같은 최신 애플리케이션에서 특히 문제가 됩니다. 또한 적층 및 열 관리 문제로 인해 밀도가 높은 통합이 어려워집니다.

이 기사에서는 기존 트랜지스터 기술의 경계를 넓히는 최근 연구 개발과 이러한 기술이 어떻게 현재 장치보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는지에 대해 설명합니다.

현재 트랜지스터는 부피가 커서 고밀도를 위해 수직으로 쌓기가 쉽지 않습니다. 이러한 통합을 위해 트랜지스터는 원자 몇 개 두께에 불과한 초박형 2D 재료로 만들어져야 합니다. 그러나 실리콘 웨이퍼에서 2D 재료를 성장시키는 데는 일반적으로 약 600°C의 온도가 필요하고 회로는 최대 400°C까지만 견딜 수 있기 때문에 어렵습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 MIT(매사추세츠 공과대학) 연구진은 손상 없이 온칩에서 2D 재료를 성장시키는 저온 공정을 개발했습니다. 새로운 공정은 2D 재료를 생성하는 데 걸리는 시간을 줄이고 전체 표면적에 걸쳐 균일한 레이어를 생성합니다. 결과적으로 새로운 공정은 기존 공정보다 더 넓은 표면에 사용될 수 있습니다.

MIT 연구원들은 새로운 공정을 시연하고 검증하기 위해 전자 및 광자 특성을 지닌 투명하고 유연한 물질인 이황화 몰리브덴에 중점을 두었습니다. 그들의 공정은 두 개의 챔버(전면의 저온 영역과 후면의 고온 영역)가 있는 오븐에 배치됩니다. 웨이퍼는 앞쪽에 배치되어 그대로 유지됩니다. 기화된 몰리브덴 및 황 전구체가 용광로로 펌핑됩니다. 몰리브덴은 앞쪽에 머무르고, 황 전구체는 고온 영역으로 흘러 분해됩니다. 분해된 후 이황화 몰리브덴이 성장하는 저온 챔버로 다시 흘러갑니다.

연구원들은 웨이퍼를 전면 챔버에 수직으로 배치하여 가장자리가 고온 영역에 너무 가깝지 않도록 했습니다. 또한 패키지나 캐리어를 연결하기 위해 실리콘 회로에 일반적으로 사용되는 알루미늄 및 구리와 같은 금속의 황화를 방지하기 위해 칩 위에 얇은 층의 보호막을 증착했습니다. 패시베이션 레이어는 나중에 연결을 위해 제거됩니다. 연구원들은 기술을 미세 조정하고 폴리머, 직물, 종이와 같은 유연한 표면에 이 공정을 적용하는 방법을 탐색할 계획입니다.

Forschungszentrum Jülich의 연구원들은 더 나은 성능의 회로를 위해 실리콘보다 더 유리한 전자 특성을 가진 재료를 탐구했습니다. 그들은 최근 기존의 실리콘 트랜지스터에 비해 많은 이점을 갖는 게르마늄-주석 합금을 제작했습니다.

게르마늄은 실리콘보다 전자 이동도가 더 높습니다. 연구진은 재료의 전자적 특성을 더욱 최적화하기 위해 게르마늄 격자에 주석 원자를 추가했습니다. 새로운 합금의 전자 이동성은 순수 게르마늄 트랜지스터보다 2.5배 더 높으며 현재의 CMOS 제조 공정과 호환됩니다.

새로운 트랜지스터는 12켈빈 이하의 온도에서도 작동합니다. 이는 50켈빈 미만의 온도에서 전환하기 위해 고전압이 필요하고 더 많은 전력을 소비하는 기존 트랜지스터에 대한 중요한 개선 사항입니다. 과학자들은 추가 개선을 통해 그들의 합금을 사용하면 트랜지스터가 12켈빈 미만의 온도에서도 작동할 수 있다고 주장합니다. 팀은 그들의 기술이 차세대 저전력 고성능 칩과 양자 컴퓨터의 미래를 위한 유망한 후보라고 믿습니다.

Linköping University와 KTH Royal Institute of Technology의 연구원들은 나무로 트랜지스터를 만들었습니다. 그들은 이 용도로 나뭇결이 없고 균일한 구조의 목재인 발사 목재를 사용했습니다. 그들은 리그닌을 제거하고 채널이 있는 셀룰로오스 섬유만 남겨두고 PEDOT:PSS라는 전도성 폴리머로 채웠습니다.