나노기술 및 정책 정보

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그래핀 발견 이래로 2D 재료는 재료 연구의 중심이 되어 왔음. 무엇보다도 작은 고성능 트랜지스터를 만드는 데 사용할 수 있기 때문임.

스위스 취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich)의 공동연구팀이 이 목적을 위해 가능한 100 개의 재료를 시뮬레이션하고 평가했으며 13 개의 유망한 후보를 발견했음.

전자 부품의 소형화가 증가함에 따라 연구원들은 바람직하지 않은 부작용으로 어려움을 겪고 있음. 실리콘과 같은 기존 재료로 만들어진 나노미터 규모의 트랜지스터에서 기능을 손상시키는 양자 효과가 발생함. 예를 들어 이러한 양자효과 중 하나는 추가 누설 전류, 즉 소스와 드레인 접점 사이에 제공된 도체를 통하지 않고 "astray"로 흐르는 전류임. 따라서 단위 면적당 집적 회로 수가 12 ~ 18 개월마다 두 배로 증가한다는 무어의 스케일링 법칙은 능동 부품의 소형화와 관련된 문제가 증가하기 때문에 가까운 장래에 한계에 도달 할 것으로 여겨짐. 이는 결국 현재 제조되고 있는 실리콘 기반 트랜지스터(FinFET라고 불리며 거의 모든 슈퍼컴퓨터에 장착되고 있음)를 양자효과로 인해 더 이상 작게 만들 수 없음을 의미함.

그러나 연구팀의 연구는 이 문제가 새로운 2차원 (2-D) 재료로 극복될 수 있음을 보여주는 것임. 연구팀은 그래핀이 처음 발견된 지 14 년이 지난 2018 년, "Piz Daint"의 복잡한 시뮬레이션을 사용하여 2 차원 재료를 생산할 수 있음을 처음으로 확인한 후, 연구팀은 100,000 개가 넘는 재료 풀을 선별했음. 그들은 재료의 2 차원 층을 얻을 수 있는 1,825 개의 유망한 성분을 추출했음. 연구진은 1,800 개 이상의 재료에서 100 개의 후보를 선택했으며, 각각은 원자 단층으로 구성되어 있으며 초박막 전계 효과 트랜지스터 (FET)의 구성에 적합 할 수 있음. 그들은 이제 "ab initio"현미경으로 그들의 특성을 조사했음. 즉, CSCS 슈퍼 컴퓨터 "Piz Daint"를 사용하여 먼저 밀도기능이론(DFT)을 사용하여 이러한 물질의 원자 구조를 결정했음. 그런 다음 이러한 계산을 소위 Quantum Transport 솔버와 결합하여 가상으로 생성된 트랜지스터를 통해 흐르는 전자 및 정공 전류를 시뮬레이션했음. 사용된 Quantum Transport Simulator는 연구팀이 개발했음.

트랜지스터의 적합 가능성에 대한 결정적인 요소는 전류가 하나 또는 여러 개의 게이트 접점에 의해 최적으로 제어될 수 있는지 여부임. 일반적으로 나노미터보다 얇은 2D 물질의 초박형 특성 덕분에 단일 게이트 접점은 전자 흐름과 정공 전류를 변조하여 트랜지스터를 완전히 켜고 끌 수 있음. 2D 재료로 만들어진 채널이 있는 단일 게이트 FET의 구조와 그 주위에는 조사된 후보 중에서 선택된 2D 재료가 배열되어 있음. 모든 2D 재료가 이 특성을 가지고 있지만 모두가 논리 응용 프로그램에 적합하지는 않음. 가전자대와 전도대 사이에 충분한 밴드갭이 있는 재료만 사용할 수 있음. 적절한 밴드갭이 있는 재료는 전자의 터널 효과를 방지하여 전자로 인한 누설 전류를 방지함. 연구자들이 시뮬레이션에서 찾고 있던 것은 바로 이러한 재료임. 연구팀의 목표는 n 형 트랜지스터(전자 수송) 및 p 형 트랜지스터(정공 수송)로 마이크로미터당 3 밀리암페어 이상의 전류를 공급할 수 있고 채널 길이가 스위칭 동작을 손상시키지 않으면서 5 나노미터 정도로 작을 수 있는 2D 물질을 찾는 것이었음. 이러한 조건이 충족되어야만 2 차원 재료에 기반한 트랜지스터가 기존 Si FinFET를 능가 할 수 있음.

이러한 측면을 고려하여 연구원들은 미래의 트랜지스터를 구축할 수 있고 무어의 스케일링 법칙을 지속할 수 있는 13 가지 가능한 2D 재료를 선택함. 예를 들어 이러한 물질 중 일부인 흑린 또는 HfS2는 이미 알려져 있지만 연구팀이 추출한 Ag2N6 또는 O6Sb4와 같은 화합물은 완전히 새로운 물질임. 연구팀은 시뮬레이션 덕분에 트랜지스터 재료의 가장 큰 데이터베이스 중 하나를 만들었음. 이러한 결과를 통해 2D 재료로 작업하는 실험가들이 새로운 결정을 박리하여 차세대 논리 스위치를 만들도록 동기를 부여 할 수 있기를 기대함. 따라서 이러한 새로운 재료를 기반으로 한 트랜지스터가 실리콘 또는 현재 널리 사용되는 전이금속 디칼코게나이드로 만들어진 트랜지스터를 대체 할 수 있음.

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ ("2-D Materials for Ultrascaled Field-Effect Transistors: One Hundred Candidates under the Ab Initio Microscope") 지에 게재됨