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낮은 전압에서 작동하는 트랜지스

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미국의 연구진은 극도로 낮은 공급 전압에서 작동하는 원자 두께의 전류 전달 채널을 가진 새로운 트랜지스터를 제작하였다. 이 새로운 디바이스는 2차원 반도체 결정과 벌크 게르마늄 기판으로부터 만들어졌으며, 단지 0.1볼트의 매우 낮은 온도에서 스위치될 수 있다는 장점이 있다. 그것은 극도로 밀집되고 더 낮은 전력의 집적회로에 사용될 수 있으며 또한 생물학적 분자들의 극도로 민감한 센서의 기본을 형성할 수 있다. 

장효과 트랜지스터는 현대 전자 기술 시대의 총아이며 장효과 트랜지스터의 크기는 지난 수십년 동안의 연구를 통해서 계속해서 축소되고 있다. 그 결과 더 많은 디바이스들의 컴퓨터 칩 안에 들어갈 수 있는 것이다. 그러나 이렇게 크기를 계속 줄이는 것은 영원히 계속될 수 없으며, 따라서 칩을 디자인하는 연구자들은 결국 문제에 봉착하게 될 것이다. 현재 한 가지 문제점은 전통적인 장효과 트랜지스터의 스위칭이 실온에서 드레인 전류당 6 mV 이하로 더 낮아질 수 없는 물리적 양에 의해서 제한된다는 것이다. 

이것은 장효과 트랜지스터를 작동하는데 필요한 공급 전압에 더 낮은 한계를 부여하게 된다. 그 결과 더 높은 밀도를 가진 칩을 제작하는데 필요한 저전력 디바이스 개발이 어렵게 된다는 문제점이 있는 것이다. 투과장 효과 트랜지스터는 새로운 종류의 디바이스로서 포텐셜 장벽을 통하여 양자 역학적으로 투과할 수 있는 전류의 양을 조절함으로써 작동한다. 이에 비해서 전통적인 장효과 트랜지스터는 전류가 열적으로 여기되어 포텐셜 장벽을 지나가는 방식이다. 이런 차이는 투과장 효과 트랜지스터가 문턱 전압 이전 스윙값(sub-threshold swing value)이 전통적인 장효과 트랜지스터보다 더 낮아질 수 있다는 것을 의미한다. 

이제 미국 캘리포니아 산타바바라 대학의 Kaustav Banerjee와 라이스 대학의 공동 연구진은 투과 장효과 트랜지스터를 이황화 몰리브덴 이중층과 벌크 게르마늄으로 제작하였다. 이런 조합으로 제작된 디바이스는 공급 전압이 0.1V 만큼 적은 양으로도 작동할 수 있는 트랜지스터를 제작할 수 있게 해준다. 이와 같은 디바이스는 전통적인 장효과 트랜지스터와 비교해서 전력 사용이 90% 더 작다는 장점이 있다. 

원자층 두께를 가진 반도체 채널 투과 장효과 트랜지스터를 본따, 이 새로운 디바이스는 매우 주입된 게르마늄을 그것의 소스 전극으로 사용하고 있다. 전류 전달 채널은 극도로 얇은 이황화 몰리브덴 층이며 단지 두 개의 분자 두께이다. 그래핀과 유사한 이황화 몰리브덴은 단지 분자 한 개 두께의 판으로 제작되는 반도체이다. 이런 결과로 발생한 층으로 이루어진 디바이스는 스트레인을 가진 경계가 없으며 전류 전달 전자들의 진행을 가로막는 장벽이 낮아 투과가 자유롭게 되며 투과가 가능한 큰 면적을 가지고 있다. 이런 특성은 모두 투과 장효과 트랜지스터에 매우 유용한 것이다. 

반도체 국제 기술 로드맵은 문턱 전압 이전 스윙값을 낮출 수 있는 연구를 촉구하고 있으며, 지금까지 투과 장효과 트랜지스터로 이런 문제를 해결할 수 있는 실험 방법은 나노와이어 구조를 이용하는 것뿐이었다. 그러나 이것은 제작하기가 어렵고 제어하기가 어렵다는 문제점이 있다. 이들의 실험은 처음으로 반도체 국제 기술 로드맵의 요구 조건을 만족시킬 수 있는 평면 아키텍처를 가진 첫 투과 장효과 트랜지스터이다. 이것은 차세대 극저전압 통합 전자기술의 개발과 극도로 민감한 센서 개발에 이용될 수 있을 것으로 이들 연구진은 내다보고 있다. 

이들의 기술로 제작된 센서는 게이트 접합이 제거된 것이며 이황화 몰리브덴 채널상에 분자 리셉터를 위치시킨 것이다. 분자가 리셉터에 부착되면, 그것은 채널을 통해 흐르는 전류를 변화시키며 따라서 분자의 존재를 알 수 있게 된다. 이들의 연구 결과는 네이처 저널에 발표되었다. 

첨부그림: 녹색선에 게르마늄 소스 전극을 보여주는 트랜지스터의 전자 현미경 이미지. 드레인 전극은 이미지의 중간에 보이는 노란색 구조이다. 이황화 몰리브덴 채널은 소스와 드레인 사이에서 녹색으로 보여지고 있다. 폴리머 게이트는 보여지지 않고 있으며, 이것은 디바이스의 상단에 증착될 것이다. 
출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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