1nm 게이트 트랜지스터 - 반도체의 한계 돌파할까?

(A schematic of a transistor with a molybdenum disulfide channel and 1-nanometer carbon nanotube gate. Credit: Sujay Desai/Berkeley Lab )

(Transmission electron microscope image of a cross section of the transistor. It shows the ~ 1 nanometer carbon nanotube gate and the molybdenum disulfide semiconductor separated by zirconium dioxide which is an insulator. Credit: Qingxiao Wang, UT Dallas )

미국 로렌스 버클리 국립 연구소 Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)의 연구자들이 세계에서 가장 작은 트랜지스터를 만드는데 성공했습니다. 이들이 탄소 나노튜브로 만든 게이트의 지름은 1nm로 머리카락 굵기의 5만분의 1에 불과할 뿐 아니라 과거 트랜지스터 게이트의 한계로 여겨졌던 5nm보다 훨씬 작은 것입니다.

이번에 성공한 1nm 게이트 트랜지스터의 핵심은 바로 가장 위 층을 덮는 층을 실리콘에서 이황화 몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2)으로 바꾼데 있습니다. 이황화 몰리브덴과 실리콘 모두 격자 구조를 가지고 전자를 통과시키지만, 이황화 몰리브덴의 저항이 좀 더 커서 전자가 자유롭게 움직이기 어렵다고 합니다.

따라서 0.65nm 두께에 불과한 이황화 몰리브덴 층에도 전자를 보관할 수 있다는 점이 핵심입니다. 실리콘의 경우 터널효과가 커지면서 전자가 주변으로 새기 때문에 결국 트랜지스터를 끌 수가 없게 되는데, 이황화몰리브덴과 탄소 나노튜브소재로 이 한계를 돌파한 것이죠.

다만 이것이 5nm 이하 게이트를 지닌 트랜지스터를 바로 제조할 수 있다는 의미는 아닙니다. 실제로 수십 억개에서 수백 억개의 트랜지스터를 지닌 거대한 프로세서를 제조하는 것은 또 다른 이야기입니다. 앞으로 많은 연구가 더 진행되어야 하겠지만, 5~7nm 이하 공정을 가능하게 하는 새로운 돌파구가 될 수 있다는 점에서 획기적인 연구라고 하겠습니다.

참고

"MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths" Science,science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aah4698

http://phys.org/news/2016-10-materials-smallest-transistor-nanometer-carbon.html#jCp

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