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- 레이저 펄스는 광전자 트랜지스터에서 반도체 재료의 전자를 들뜨게 하는 데 사용
- 속도 측정을 위해 실리콘 반도체 대신 UV 범위의 초단 레이저 펄스와 불화 리튬 사용
- 1PHz(페타헤르츠) 이상은 불가능
- 현실적으로 실현 가능한 기술 상한선은 아마도 절대 속도 제한보다 훨씬 낮을 것

1페타헤르츠(PHz)가 한계
광전자 트랜지스터의 물리적 속도 한계 결정돼

더 이상은 불가능하다. 연구원들은 컴퓨터 칩의 광전자 회로에 대해 물리적으로 결정된 최대 속도가 최적화된 기술로도 초과할 수 없는 값인 곳을 처음으로 결정했다. 이 제한 속도는 약 1PHz(페타헤르츠)다. 이것은 백만 GHz(기가헤르츠)에 해당하며 오늘날 최고의 트랜지스터보다 약 10만 배 더 빠르다. 

▲ 광전자 트랜지스터조차도 무한히 빠르게 전환할 수 없다. © Mordolff/게티 이미지

점점 더 디지털화되는 세상에서는 더 작고 더 강력한 컴퓨터 칩이 필요하다. 트랜지스터와 같은 칩 부품은 이제 크기가 몇 나노미터에 불과하다. 그러나 고전적인 순수 전자식 실리콘 기반 회로의 소형화는 점차 한계에 도달하고 있다. 빛을 신호 송신기로 사용하는 광전자공학이 대안을 제시한다.

레이저 펄스는 광전자 트랜지스터에서 반도체 재료의 전자를 들뜨게 하는 데 사용된다. 따라서 재료는 절연 상태에서 전도 상태로 전환되어 0에서 1로 전환된다. 이러한 광학 회로가 작동하는 속도는 사용된 빛의 파장과 재료에 따라 다르다. 예를 들어, 실리콘 기반 광전자 칩은 적외선 레이저 펄스로 가장 잘 전환될 수 있다.

UV 레이저 및 유전체를 사용한 속도 테스트

더 좋은 방법이 있다. "더 빠른 것을 원하면 전자기 신호의 주파수가 높아야 한다"고 오스트리아 그라츠 공과대학(Graz University of Technology)의 마틴 슐체(Martin Schultze)가 설명했다. 동시에 비전도 0 상태와 들뜬 전도 상태 사이의 거리가 이 더 높은 에너지에 반응할 수 있을 만큼 충분히 큰 물질이 필요하다.

속도 테스트를 위해 제1 저자인 막스 플랑크 양자광학 연구소(Max Planck Institute for Quantum Optics)의 마르쿠스 오씨안더(Marcus Ossiander)와 동료들은 레이저와 재료의 가능한 가장 빠른 조합을 적용했다. 그들은 실리콘 반도체 대신 UV 범위의 초단 레이저 펄스와 유전체 재료인 불화 리튬을 대신 사용했다. 13.6 전자볼트의 밴드갭으로 전자의 가전자대와 전도대 사이의 거리가 가장 큰 천연 유전 물질이다. 실험과 추가 모델에서 연구원들은 광전자 칩의 도달 가능한 최대 속도가 어디인지 결정했다. 

▲ a 왼쪽 패널: 운동량-공간 그림(에너지 E 대 결정 운동량 k): VUV(진공 자외선) 복사(밝은 파란색)는 밴드갭 EGap을 가로질러 원자가(주황색 영역)에서 가장 낮은 전도대 CB1(진한 파란색)으로 전자를 여기시킨다. 영역) 게이트 파형(빨간색)이 운동량을 변조하는 전도 대역 폭 ΔECB1 이다. 게이트 펄스의 지속 시간 후 비대칭 웨이브 패킷 분포(녹색 영역)는 감지 가능한 전류로 이어진다. 오른쪽 패널: 단일 광자 주입을 통해 대역 구조의 특정 영역을 처리하고 광자 에너지 조정을 통해 주입된 Bloch 파장 패킷의 스펙트럼 모양을 제어할 수 있다. 따라서 단일 광자 주입은 스펙트럼이 넓은(검은색 화살표) 웨이브 패킷을 주입하는 동시에 여러 전도 대역을 채우는 것을 방지할 수 있다. 반대로, 강한 필드 주입 프로세스는 주입된 웨이브 패킷의 스펙트럼 모양을 지정하고 여러 전도 대역을 채우거나 좁은 유효 대역폭을 가진 웨이브 패킷을 생성한다. b 실제 공간 사진: VUV 복사는 게이트 레이저 전기장에 의해 분리되는 불화리튬(LiF, 하늘색)에서 전자-정공 쌍(진한 파란색 및 주황색)을 생성한다. 결과적인 쌍극자는 전류로 감지되는 전극(노란색)에 이미지 전하를 유도한다. c 실험 설정: 캐리어 엔벨로프 위상 안정 가시적 몇 주기 레이저 펄스는 진공 조건에서 아르곤 가스 타겟(표시되지 않음)에서 비선형 상향 변환을 통해 짧은 VUV 버스트를 생성한다. VUV 소스 펄스와 가시 게이트 필드(τ, τ < 0: 지연, τ > 0: 고급)에 초점을 맞추고 지연 종속 전류 신호 I를 게이트 라이트를 따라 기록한다. 두 개의 전극(노란색)을 통한 분극. 감지된 게이트 레이저 전기장은 LiF를 가스 노즐(녹색)로 교체하고 TOF 분광계로 아토초 스트리킹을 수행하여 현장에서 벤치마킹할 수 있다. (출처: 관련논문 fig 1. The speed limit of optoelectronics)

1PHz(페타헤르츠) 이상은 불가능

결과:
신호 속도의 물리적 한계는 약 1페타헤르츠(약 100만 기가헤르츠)에 도달했다. Ossiander와 그의 동료들이 보고한 것처럼 광전자 트랜지스터는 더 빨라질 수 없다. 이 제한의 이유는 더 빠른 신호 펄스를 사용하면 거리가 너무 짧아지고 전송된 에너지를 더 이상 충분히 정확하게 정의할 수 없다.

전자는 두 가지 원하는 상태 사이에서 깨끗하게 더 바운스되지 않는다. 공저자인 비엔나 공과대학의 Christoph Lemell은 "고체는 서로 다른 허용 에너지 대역을 갖고 있으며 짧은 레이저 펄스를 사용하면 그 중 많은 부분이 불가피하게 동시에 자유 전하 캐리어로 채워진다"고 설명했다. 이것은 끝에서 생성되는 전류 신호를 왜곡한다. 0과 1은 더 구별할 수 없다.

경계에 얼마나 가까이 갈 수 있을까?

1페타헤르츠의 속도 제한은 오늘날의 일반적인 트랜지스터로 여전히 개선의 여지가 있음을 의미한다. 달성할 수 있는 최대값은 약 10만 배 더 빠르다. 그러나 이 최대 용량의 컴퓨터 칩이 제조될 수 있을지는 의문이다. 연구원에 따르면 현실적으로 실현 가능한 기술 상한선은 아마도 절대 속도 제한보다 훨씬 낮을 것이다.

어쨌든 한 가지는 확실하다.
광전자공학은 연구에서 보여준 것보다 더 빠르지 않을 것이며 미래 기술이 이 한계에 얼마나 근접할지는 두고 봐야 한다.
(nature communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-29252-1)
출처: Technische Universität Graz, Technische Universität Wien  그라츠 공과대학교, 비엔나 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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