실리콘 트랜지스터는 이미 매우 우수하지만 물리적 세계의 다른 물체와 마찬가지로 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 물리학 법칙은 성능과 에너지 효율성에 병목 현상을 발생시킵니다. 이제 MIT 엔지니어 팀은 급진적인 새로운 트랜지스터 설계를 사용하여 엄청난 양자 방식으로 이러한 한계를 뛰어넘는 방법을 찾았을 것입니다.
그들이 해결하고 싶은 문제는 소위 '볼츠만 폭정'이다. 이는 실온에서 실리콘 트랜지스터를 전환하는 데 필요한 전압의 기본 한계를 나타냅니다. 전압을 너무 낮게 조정하면 트랜지스터의 전환 기능이 상실됩니다. 이러한 낮은 전압 제한은 전력 소모가 많은 인공 지능 응용 프로그램이 더 많은 처리 작업을 맡게 되면서 문제가 될 수 있는 전자 장치의 에너지 효율성이 크게 향상되는 것을 방해합니다.
MIT 연구팀은 기존 실리콘 대신 안티몬화갈륨, 비소화인듐 등 독특한 반도체 소재를 이용해 실험용 트랜지스터를 만들었다. Intel Corporation이 부분적으로 자금을 지원한 이 연구는 최근 Nature Electronics에 게재되었습니다.
그러나 진정한 마법은 MIT의 나노 규모 연구 전용 시설인 MIT.nano의 정밀 도구를 사용하여 설계된 독특하고 작은 3차원 디자인에 있습니다. 이 트랜지스터는 직경이 6나노미터에 불과한 수직 나노와이어 이종 구조를 사용하는데, 연구원들은 이것이 현재까지 보고된 가장 작은 3D 트랜지스터라고 믿고 있습니다.
이 규모에서는 일부 양자 효과가 작용하여 트랜지스터가 실리콘의 물리적 한계를 우회할 수 있게 해줍니다. 과학자들은 전자가 본질적으로 절연 장벽 위가 아닌 절연 장벽을 통과하여 트랜지스터가 더 낮은 전압에서 작동할 수 있도록 하는 양자 터널링을 달성하도록 트랜지스터를 설계했습니다. 또 다른 효과는 나노와이어의 좁은 치수가 물질의 특성을 변화시키는 양자 구속입니다.
이러한 효과를 결합하여 MIT의 장치는 실리콘이 할 수 없는 것을 달성합니다. 즉, 매우 작은 전압을 사용하여 매우 빠른 스위칭 시간을 달성합니다. 테스트 결과 스위칭 전압 기울기가 기존 실리콘 소재의 제한 기울기보다 가파른 것으로 나타났습니다. 실제로 현재 성능은 다른 실험용 터널 트랜지스터보다 약 20배 더 높습니다.
이 프로젝트의 박사후 연구원이자 제1저자인 Yanjie Shao는 "이것은 실리콘을 대체할 수 있는 잠재력을 가진 기술이므로 현재 실리콘이 수행하는 모든 기능을 수행하는 데 사용할 수 있으면서도 훨씬 더 높은 에너지 효율성을 제공합니다"라고 말했습니다.
물론 개념 증명부터 상용화까지 갈 길이 멀고, 팀도 이를 인정한다.
"전통적인 물리학은 지금까지만 갈 수 있습니다. Yan Jie의 연구는 우리가 더 잘할 수 있지만 다른 물리학을 사용해야 한다는 것을 보여줍니다." "미래에 이 방법을 상용화하기 위해 극복해야 할 많은 과제가 있지만 개념적으로 이것은 정말 획기적인 것"이라고 MIT 전기 공학 및 컴퓨터 과학과의 논문 수석 저자인 Jesús del Alamo가 말했습니다.
또한 팀은 나노 크기의 트랜지스터가 전체 칩에 걸쳐 더욱 균일하도록 제조 공정을 개선해야 한다고 지적했습니다.
MIT가 무어의 법칙의 한계를 뛰어넘기 위해 노력한 것은 이번이 처음이 아닙니다. 올해 초 MIT 과학자들은 나노초 안에 스위치를 켜고 끌 수 있고 최대 10억 주기의 내구성을 갖춘 트랜지스터를 시연했습니다.