트랜지스터: 실리콘 대신 게르마늄

3’00” 읽기-게르마늄-주석 트랜지스터는 기존 부품보다 빨리 내한성이 뛰어나다.-양자 컴퓨터 및 광자 칩에 적합 트랜지스터:실리콘 대신 게르마늄-주석 트랜지스터는 기존 부품보다 빨리 내한성이 뛰어나다.게르마늄의 복귀:연구자들은 종전의 실리콘 트랜지스터보다 빠르고 에너지 효율적으로 적응은 새로운 형태의 게르마늄 주석 트랜지스터를 개발했다. 이는 게르마늄과 주석의 합금으로 만들어진 나노 와이어에 의해서 가능했다. 새로운 디자인은 게르마늄 반도체에서 전하의 이동성을 증가시키고 결과적인 전계 효과 트랜지스터를 기존의 실리콘 MOSFET보다 더 내한성으로 한다. 그러므로 양자 칩에도 적합하다.

▲ 게르마늄 주석으로 만들어진 나노와이어 트랜지스터의 기본 구조. Liu et al./ Communicationa enginnering, CC-by 4.0

최초의 트랜지스터는 75년 전에 발명되어 세상을 바꾸었다. 이러한 전자 스위치와 증폭기 덕분에 컴퓨터는 일상적인 사용에 적합하다. 최초의 트랜지스터는 여전히 반도체 게르마늄으로 마련됐지만 이제는 실리콘이 선택되는 반도체이다. 하지만 실리콘 트랜지스터도 점점 소형화하는 한계에 달한다. 그러므로 과학자들은 예를 들면 나노 튜브 트랜지스터의 형태에서 더 작은 회로를 허용하는 대안을 찾고 있다.게르마늄에 돌아가지만 다른 방법이 있다. “이 아이디어는 더 큰 구조로 똑같은 성능을 달성할 수 있는 보다 유리한 전자적 특성을 가진 재료를 찾는 것이다”과 유리!연구 센터(ForschungszentrumJülich)의 수석 저자인 Qing-Tai Zhao는 설명했다. “이제 우리는 크기가 2~3나노 미터에 지나지 않는 구조로 도달했다. 이는 실현 가능한 것의 한계를 넘어 훨씬 작아지지 않는다.”이런 실리콘 대안을 찾기 위해서 Zhao, 제1저자의 Mingshan Liu와 그의 팀은 컴퓨터 기술의 뿌리인 반도체 게르마늄으로 돌아갔다. “모든 반도체 중 게르마늄은 최고의 정공 이동도를 제공한다. 한편 전자 이동도는 상당히 낮다”와 연구진은 설명했다. 이에 의한 순수한 게르마늄은 고성능 트랜지스터에 적합하지 않아요. 늦기 때문이다. 그러므로 연구자들은 게르마늄을 다른 재료와 결합하고 게르마늄의 전자 특성을 개선하는 방법을 찾아냈다.원자 도우미라의 주석 그들은 일상적인 금속인 주석에서 찾던 것을 발견했다. 이 원소는 주기율 표에서 게르마늄과 실리콘 같은 주로족에 속하는 때문, 게르마늄 반도체 결정 격자에 쉽게 통합할 수 있다. 격자문에 배치된 주석 원자는 반도체의 에너지의 흐름에 영향을 미치기 때문에 띠간격을 조정할 수 있다. 반도체의 띠간격은 재료를 부도체에서 반도체에 전환하기에 필요한 에너지를 나타낸다.그들의 새로운 트랜지스터의 때문에 Zhao와 그의 팀은 2가지의 다른 게르마늄 주석 합금을 만들었다. 하나는 전자(n)이 지나치고, 다른 하나는 결정 격자에 플러스 공극(p)이 지나치다. 트랜지스터(FET)는 두가지 변형이 결합되었을 경우에만 스위칭 및 증폭기 기능을 달성한다. 연구원들은 지름이 25나노 미터에 불과한 나노선 전계 효과 트랜지스터를 구성하기 위해서, 양쪽의 합금을 사용했다.뛰어난 전자 이동도 및 트랜스 전도도의 첫 시험에서 새로운 게르마늄 주석 트랜지스터는 순수 게르마늄보다 2.6배 높은 전자 이동도를 갖고 실리콘보다 좋은 값을 갖고 있음을 드러냈다. 또 새로운 컴포넌트는 트랜스 전도도가 2.6배 높다. 이는 증폭된 출력 전류에 대한 입력 신호의 비율이 얼마나 급한지를 설명한다. 곡선이 급할수록 트랜지스터는 보다 빠른 강력하게 된다.팀은 게르마늄-주석 트랜지스터가 미래의 초저 전력·고성능 칩을 위한 유망한 후보라고 믿고 있다. Zhao는 “우리가 테스트한 게르마늄-주석 시스템은 실리콘 기술의 물리적 한계를 극복할 수 있는 “이라고 설명했다.중요한 장점:구성 요소는 칩 생산을 위한 기존 CMOS프로세스와 호환성이 있는 게르마늄-주석 트랜지스터는 기존 생산 공정을 사용하고 기존 실리콘 칩에 통합 수 있다. “여기에 제시된 진보는 게르마늄-주석 트랜지스터를 CMOS전자 장치에 미치는 중요한 단계다”라고 연구원들은 썼다.양자 컴퓨터 및 광자 칩에 적합한 게르마늄 주석 트랜지스터는 양자 컴퓨터에도 적합하다. 제어 전자 장치가 양자 칩에 직접 통합될 경우 초저온 조건에 견디지 않으면 안 된다. 그러므로 가장 낮은 온도도 낮은 전압으로 스위칭 수 있는 반도체를 찾는 게 과제라고 Zhao는 설명했다. 하지만 실리콘을 사용하면 이 스위칭 곡선이 50켈빙 미만으로 평평하게 되고 이는 더 많은 에너지 공급이 필요함을 의미한다. 이는 민감한 양자 비트를 방해할 가능성이 있다.”게르마늄 주석은 최대 12켈빙의 측정에서 더 나은 성능을 발휘하며, 재료가 더 낮은 온도에서도 사용할 수 있다는 희망이 있는 “과 Zhao는 말했다. 새로운 트랜지스터의 또 다른 응용 분야는 광 전자 회로이다. 이런 칩으로 통합할 수 있는 게르마늄-주석 레이저가 최근 개발됐으니 새로운 트랜지스터와 최적으로 호환될 것이다.”게르마늄-주석 베이스의 포토닉의 성공적인 연구와 동시에 이는 주요 그룹 IV요소를 기반으로 하는 단일 결정으로 된 칩 통합 빛 전자 회로로 이어질 수 있다.”(Communications Engineering, 2023;doi:10.1038/s44172-023-00059-2)출처:ForschungzentrumJülichhttps://www.thescienceplus.com/news/newsview.php?ncode=1065574169141149

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