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- 게르마늄-주석 트랜지스터는 기존 부품보다 빠르고 내한성이 뛰어나다.
- 양자 컴퓨터 및 광자 칩에 적합

트랜지스터: 실리콘 대신 게르마늄
게르마늄-주석 트랜지스터는 기존 부품보다 빠르고 내한성이 뛰어나다.

게르마늄의 복귀: 

연구원들은 기존의 실리콘 트랜지스터보다 더 빠르고 에너지 효율적일 수 있는 새로운 유형의 게르마늄-주석 트랜지스터를 개발했다. 이것은 게르마늄과 주석의 합금으로 만들어진 나노와이어에 의해 가능해졌다. 새로운 디자인은 게르마늄 반도체에서 전하의 이동성을 증가시키고 결과적인 전계 효과 트랜지스터를 기존 실리콘 MOSFET보다 더 내한성으로 만든다. 따라서 양자 칩에도 적합하다. 

▲ 게르마늄 주석으로 만들어진 나노와이어 트랜지스터의 기본 구조. © Liu et al./ Communicationa enginnering, CC-by 4.0

최초의 트랜지스터는 75년 전에 발명되었고 세상을 바꿨다. 이러한 전자 스위치와 증폭기 덕분에 컴퓨터는 일상적인 사용에 적합해졌다. 최초의 트랜지스터는 여전히 반도체 게르마늄으로 만들어졌지만, 이제 실리콘이 선택되는 반도체다. 그러나 실리콘 트랜지스터도 점점 소형화되면서 한계에 다다르고 있다. 따라서 과학자들은 예를 들어 나노튜브 트랜지스터의 형태로 더 작은 회로를 허용하는 대안을 찾고 있다.

게르마늄으로 돌아가기

그러나 다른 방법이 있다. "이 아이디어는 더 큰 구조에서 동일한 성능을 달성할 수 있는 더 유리한 전자 특성을 가진 재료를 찾는 것이다"고 율리히 연구센터(Forschungszentrum Jülich)의 수석 저자인 Qing-Tai Zhao는 설명했다. “이제 우리는 크기가 2~3나노미터에 불과한 구조에 도달했다. 이것은 실현 가능한 것의 한계를 뛰어넘고 그보다 훨씬 작아지지 않는다."

이러한 실리콘 대안을 찾기 위해 Zhao, 제1저자인 Mingshan Liu와 그의 팀은 컴퓨터 기술의 뿌리인 반도체 게르마늄으로 되돌아갔다. “모든 반도체 중에서 게르마늄은 최고의 정공 이동도를 제공한다. 반면 전자 이동도는 상당히 낮다”고 연구진은 설명했다. 이것은 순수한 게르마늄을 고성능 트랜지스터에 부적합하게 만든다. 너무 느리기 때문이다. 따라서 연구원들은 게르마늄을 다른 재료와 결합해 게르마늄의 전자 특성을 개선하는 방법을 찾았다.

원자 도우미로서의 주석

그들은 일상적인 금속인 주석에서 그들이 찾고 있던 것을 발견했다. 이 원소는 주기율표에서 게르마늄 및 실리콘과 같은 주족에 속하므로 게르마늄 반도체의 결정 격자에 쉽게 통합될 수 있다. 격자에 배치된 주석 원자는 반도체의 에너지 흐름에 영향을 미치므로 밴드 갭을 조정할 수 있다. 반도체의 밴드 갭은 재료를 부도체에서 도체로 전환하는 데 필요한 에너지를 나타낸다.

그들의 새로운 트랜지스터를 위해 Zhao와 그의 팀은 두 가지 다른 게르마늄-주석 합금을 만들었다. 하나는 전자(n)가 과도하고 다른 하나는 결정 격자에 양의 공극(p)이 과도하다. 트랜지스터(FET)는 두 변형이 결합된 경우에만 스위칭 및 증폭기 기능을 달성한다. 연구원들은 직경이 25나노미터에 불과한 나노와이어 전계 효과 트랜지스터를 구성하기 위해 두 합금을 모두 사용했다.

▲ 게르마늄-주석 트랜지스터의 전자 현미경 사진. © Forschungszentrum Jülich

우수한 전자 이동도 및 트랜스덕턴스

첫 번째 테스트에서 새로운 게르마늄-주석 트랜지스터는 순수 게르마늄보다 2.6배 높은 전자 이동도를 가지며 실리콘보다 더 좋은 값을 가지고 있음을 보여주었다. 또한 새로운 구성 요소는 트랜스덕턴스가 2.6배 더 높다. 이것은 증폭된 출력 전류에 대한 입력 신호의 비율이 얼마나 가파른지를 설명한다. 곡선이 가파를수록 트랜지스터는 더 빠르고 강력하다.

팀은 게르마늄-주석 트랜지스터가 미래의 저전력 고성능 칩을 위한 유망한 후보라고 믿고 있다. Zhao는 "우리가 테스트한 게르마늄-주석 시스템은 실리콘 기술의 물리적 한계를 극복하는 것을 가능하게 한다"고 설명했다.

중요한 이점:
구성 요소는 칩 생산을 위한 기존 CMOS 프로세스와 호환돼 게르마늄-주석 트랜지스터는 기존 생산 공정을 사용하여 기존 실리콘 칩에 통합될 수 있다. "여기에 제시된 진보는 게르마늄-주석 트랜지스터를 CMOS 전자 장치로 가져오는 중요한 단계다"고 연구원들은 썼다.

양자 컴퓨터 및 광자 칩에 적합

게르마늄-주석 트랜지스터는 양자 컴퓨터에도 적합할 것이다. 제어 전자 장치가 양자 칩에 직접 통합되는 경우 초저온 조건을 견딜 수 있어야 한다. 따라서 가장 낮은 온도에서도 낮은 전압에서 스위칭할 수 있는 반도체를 찾는 것이 과제라고 Zhao는 설명했다. 그러나 실리콘을 사용하면 이 스위칭 곡선이 50켈빈 미만으로 평탄해지며 이는 더 많은 에너지 공급이 필요함을 의미한다. 이는 민감한 양자비트를 방해할 수 있다.

"게르마늄 주석은 최대 12켈빈의 측정에서 더 나은 성능을 발휘하며 재료가 더 낮은 온도에서도 사용될 수 있다는 희망이 있다"고 Zhao는 말했다. 새로운 트랜지스터의 또 다른 응용 분야는 광전자 회로다. 이러한 칩에 통합될 수 있는 게르마늄-주석 레이저가 최근에야 개발되었기 때문에 새로운 트랜지스터와 최적으로 호환될 것이다.
"게르마늄-주석 기반 포토닉스의 성공적인 연구와 함께 이것은 주요 그룹 IV 요소를 기반으로 하는 모놀리식 통합 광전자 회로로 이어질 수 있다.“
(Communications Engineering, 2023; doi: 10.1038/s44172-023-00059-2)
출처: Forschungzentrum Jülich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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