컴퓨팅

능동 기판과 뉴로모픽 컴퓨팅을 통해 무어의 법칙을 따라가다

게재 2024 년 4 월 17 일

조나단 슈람

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새로운 반도체가 필요하다

반도체 산업은 산업용 메인프레임 컴퓨터에서 오늘날 거의 모든 기계 및 장치의 핵심 부분으로 이동하면서 지난 수십 년 동안 지속적으로 중요성이 커졌습니다.

이러한 성장은 반도체의 복잡성과 미세화 증가에 힘입어 이루어졌습니다. 그러나 실리콘의 근본적인 물리적 특성으로 인해 실리콘 기반 반도체는 한계에 도달하기 시작했습니다.

다행스럽게도 실리콘은 반도체 특성, 즉 절연체(전기가 흐르지 않음)와 전도체(전기가 흐르게 함)로 작동하는 상태에서 전환하는 능력을 나타내는 유일한 물질은 아닙니다.

새로운 연구에서는 이산화바나듐과 같은 혁신적인 반도체 재료의 기본 물리학과 이전에 예상하지 못했던 이산화티타늄의 반도체 특성에 대한 새로운 통찰력을 보여줍니다.

The 연구 이 연구는 펜실베이니아 주립 대학, 코넬 대학, 아르곤 국립 연구소, 조지아 공과대학, 독일 베를린에 있는 폴 드루드 고체 전자 연구소의 연구자들이 수행한 다학제 연구를 통해 수행되었습니다.

바나듐과 무어의 법칙

이산화바나듐을 새로운 반도체 기술의 주요 후보로 만드는 이유는 바나듐이 금속("1" 상태)과 절연체("0" 상태) 사이를 단 한 번에 전환할 수 있기 때문입니다. XNUMX조분의 XNUMX 초의.

이는 "금속-절연체 전이 발생"으로 알려진 현상입니다. 금속-절연체 전이 속도는 기존 실리콘 기반 전자 장치에 비해 더 빠르고 작은 전자 장치를 허용해야 합니다.

이는 반도체 산업이 무어의 법칙을 따라가는 것을 보고 싶다면 필수적입니다.

무어의 법칙은 1965년에 공식화되었으며, 반도체 산업이 100년마다 칩의 트랜지스터 수를 XNUMX%씩 증가시킨다는 경험적 법칙입니다. 이는 이후 수십 년 동안 사실로 유지되었지만 실리콘 칩의 근본적인 한계로 인해 이를 유지하려면 곧 새로운 유형의 재료가 필요하게 됩니다.

무어의 법칙은 1936년 라이트의 법칙을 반도체 산업에 적용한 것으로, 생산량이 두 배로 늘어날 때마다 제조 비용이 최대 15% 감소한다는 내용입니다(원래 항공 산업을 위해 개발).

라이트의 법칙은 생산량 증대 시 규모의 경제와 산업 효율성에 대한 법칙에 가깝습니다. 반면, 무어의 법칙은 기술 혁신에 더 가깝고, 기초 물리학과 나노미터 단위 공학의 발전에 힘입어 발전합니다.

새로운 통찰력

고급 방법

지금까지 이산화바나듐은 분리된 성분으로만 분석, 관찰되어 왔습니다. 유용하긴 하지만 이는 이산화바나듐에 의존하는 반도체에서 실제로 어떤 일이 일어날지에 대한 이해를 제한했습니다.

Advanced Materials에 게재된 논문에서 ( '절연체에서 금속으로 전환하는 동안 결합된 필름-기판 탄성 역학의 In-Operando 시공간 이미징”), 연구자들은 몇 가지 새로운 발견을 했습니다.

그들은 원자 수준에서 실시간으로 정밀하게 변화를 관찰하기 위해 X선 회절 현미경을 사용했습니다.

그리고 그들은 분리해서 연구하는 대신 실제 반도체 칩에 있는 것처럼 이산화티타늄 기판 위에 이산화바나듐을 적용했습니다.

출처: 고급 재료

이는 연구 자체가 10년 이상 걸리고 많은 연구팀과 다학문적 접근 방식이 참여하는 엄청난 노력이었습니다.

"이러한 전문가들을 모으고 문제에 대한 이해를 종합함으로써 우리는 개인의 전문 지식 범위를 훨씬 뛰어넘어 새로운 것을 발견할 수 있었습니다." – Roman Engel-Herbert, 베를린 소재 Paul Drude 고체 전자 연구소 소장

바나듐 무브먼트

연구진은 처음으로 이산화바나듐이 금속으로 변할 때 위쪽으로 부풀어오르는 것을 관찰했습니다. 이는 줄어들 것이라고 가정한 이론적 예측과 반대되는 결과였습니다.

출처: 고급 재료

그들은 이전에는 예상하지 못했던 산소 원자의 상실로 인한 효과가 물질의 팽창을 유발한다는 사실을 발견했습니다.

“이러한 중성 산소 결손은 두 개의 전자 전하를 보유하고 있으며, 이는 재료가 절연체에서 금속으로 전환될 때 방출될 수 있습니다. 남겨진 산소 결손은 이제 충전되어 부풀어 오르며 장치에서 놀라운 부풀음이 관찰됩니다.”

Pr. 펜실베이니아 주립대학교 Venkatraman Gopalan

티타늄 기판의 예상치 못한 활동

반도체 제조의 준 교리는 전류가 흐를 때 기판 위에 있는 반도체 물질의 얇은 막만 활성화된다는 것입니다. 기판 자체는 전기적, 기계적으로 수동적인 재료입니다.

이번 연구에서 연구원들은 이산화바나듐 반도체의 경우에는 그렇지 않다는 것을 발견했습니다.

대신, 이전에 불활성인 이산화티타늄으로 생각되었던 것 역시 산소 원자 누락과 관련된 동일한 메커니즘으로 인해 부풀어오르게 됩니다.

또한, 이산화티타늄의 최상층은 이산화바나듐처럼 작용하여 반도체처럼 작용합니다.

이 새로운 발견은 상업용 이산화바나듐 반도체의 프로토타입을 제작하는 데 매우 중요할 것입니다.

어플리케이션

더 빠르고 더 나은 반도체

이산화바나듐은 몇 가지 기본 특성으로 인해 반도체 기술을 다음 단계로 끌어올릴 수 있는 매우 유망한 재료로 간주됩니다.

절연체-금속(IMT)은 1조분의 1초라는 극도의 속도로 발생하여 초고속 계산의 길을 열어줍니다.
이산화바나듐은 전자 효과와 밀접하게 연관되어 있습니다. 간단히 말해서 이는 현재 실리콘 기반 전자 장치에서 발생하는 것처럼 전자 사이의 반발력을 무시할 수 없음을 의미합니다.
- 이는 결국 고온 초전도성 및 향상된 자기 특성과 같은 새로운 기능의 가능성을 열어줍니다.