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전통적인 실리콘 칩 공정이 한계에 다다르면서, 과학자들은 무어의 법칙을 지속시키기 위한 신소재 탐색에 박차를 가하고 있습니다.
그중에서도 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)는 가장 주목받는 차세대 후보 소재로 떠오르고 있습니다.
미국 에너지부(DOE) 소속 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL) 연구팀은 최근 발표한 연구를 통해, TMD의 원자 구조와 내부 결함이 전기적 성능에 미치는 영향을 심도 있게 분석하였으며, 이는 차세대 고성능 반도체 칩 개발의 기초를 마련하는 중요한 성과로 평가받고 있습니다.
목차
실리콘 칩에서 TMD로: 반도체 기술의 진화
전통적인 실리콘 칩은 지난 반세기 이상 계산 기술의 발전을 이끌어왔습니다. 그러나 현재 상용 칩의 최소 선폭은 3나노미터까지 줄어들어 물리적 한계에 근접하고 있습니다. 고성능 컴퓨팅에 대한 수요가 끊임없이 증가함에 따라, 과학자들은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 이차원 소재에 주목하기 시작했습니다.
TMD는 몇 개의 원자층으로만 이루어진 이차원 소재로, 두께가 원자 세 개 정도로 매우 얇습니다.(작은 금속 샌드위치라고 상상해보시면 됩니다.)
TMD는 전통적인 실리콘 재료와는 다른 물리적, 화학적, 전자적 특성을 나타냅니다. 가장 잘 알려진 이차원 소재인 그래핀과 비교했을 때, TMD는 전이금속(예: 몰리브데넘 Mo, 텅스텐 W 등 주기율표 3~12족 금속)과 칼코겐족 원소(예: 황 S, 셀레늄 Se, 텔루륨 Te)로 구성되어 있습니다. 이 특유의 층상 구조 덕분에 탁월한 전자 및 광학 특성을 갖추고 있어, 반도체 분야의 핵심 연구 대상으로 부상하고 있습니다.
연구 결과: TMD 내부 결함과 전기적 성능
이 이미지는 TMD의 중간층을 위에서 내려다본 시점을 보여줍니다. 이미지 출처: Shoaib Khalid, Bharat Medasani, Anderson Janotti / PPPL 및 델라웨어 대학교
TMD의 결정 구조는 완벽하지 않으며, 내부 결함이 전자적 성능에 영향을 미치거나 오히려 이를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 원자 격자 내에 원자가 하나 빠져 있거나, 예상치 못한 위치에 추가 원자가 존재할 수 있습니다. 이러한 결함은 일반적으로 전도성에 부정적인 영향을 줄 수 있지만, 특정 조건에서는 오히려 TMD의 반도체 특성을 개선하는 역할을 하기도 합니다.
PPPL의 물리학자 Shoaib Khalid가 이끄는 연구팀은, 벌크 형태의 TMD 내부에 과잉 전자가 자주 존재하며, 이 전자들이 수소 기체에 의해 유도되었을 가능성이 있음을 발견했습니다.
연구팀은 다양한 결함 유형의 형성 에너지를 계산하여, 어떤 결함이 가장 발생하기 쉬운지를 파악하고, 해당 결함이 재료의 전하 이동 특성에 어떤 영향을 미치는지를 분석하였습니다.
연구 결과에 따르면, 수소 관련 결함은 TMD가 n형(음전하형) 반도체 특성을 띠도록 유도할 수 있으며, 칼코겐족 원소의 공공은 재료의 광학 및 전자 특성을 변화시킬 수 있음이 확인되었습니다.
미래 칩 제조에서의 TMD 응용
연구진은 TMD 내부의 결함을 분석하기 위해 광발광 기술을 사용할 것을 제안하였습니다. 이 기술은 재료가 방출하는 빛의 주파수를 측정하여 원자 구조의 변화를 추정할 수 있게 합니다.
이번 연구는 특히 차세대 컴퓨터 칩 개발을 위한 TMD 응용에 있어 실험적 가이드를 제공하였으며, 응용 목적에 맞는 TMD 반도체 설계에 있어 엔지니어들에게 실질적인 도움을 줄 수 있습니다.
기술이 발전함에 따라 전문가들은 이르면 2030년경, TMD 칩이 실제 전자기기에서 실용화될 수 있을 것으로 전망하고 있습니다. 소재의 구조와 결함의 영향을 심층적으로 연구함으로써, 과학자들은 TMD의 성능을 더욱 최적화하고, 반도체 기술의 다음 단계를 향해 나아갈 수 있을 것입니다.
참고 문헌
- Beyond Silicon: How Atom-Thin Materials Are Revolutionizing Chips
- TMD 소재로 실리콘을 대체하여, 차세대 더 작고 효율적인 반도체 칩 실현
- “벌크 전이금속 디칼코게나이드에서의 칼코겐 공공과 수소가 광학 및 전기적 특성에 미치는 영향”, 저자：Shoaib Khalid、Anderson Janotti 和 Bharat Medasani,2024년 5월 24일,2D Materials. DOI: 10.1088/2053-1583/ad4720
(대표 이미지 출처: 프린스턴 플라즈마 물리 연구소)
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