과학자들은 실리콘을 먼지 속에 남겨둘 수 있는 트랜지스터를 만들었습니다.

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일본 연구진이 획기적인 게이트 올어라운드(gate-all-around) 설계를 적용한 갈륨 도핑 산화인듐(IGO) 트랜지스터를 공개했습니다. 기존 실리콘 모델보다 안정성과 효율성이 뛰어나 첨단 컴퓨팅의 새로운 차원을 열 것으로 기대됩니다.

20 세기 최고의 발명품 중 하나로 손꼽히는 트랜지스터는 현대 전자공학의 필수 부품으로, 전기 신호를 증폭하거나 스위칭합니다. 전자기기가 점점 더 작아짐에 따라 실리콘 기반 트랜지스터의 크기를 줄이는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다. 과연 전자공학의 발전은 한계에 다다른 것일까요?

도쿄대학교 산업과학연구소가 이끄는 연구팀은 해결책을 모색했습니다. 2025년 VLSI 기술 및 회로 심포지엄에서 발표될 예정인 새로운 논문에 자세히 기술된 바와 같이, 연구팀 은 실리콘을 버리고 갈륨이 도핑된 산화인듐(InGaOx)으로 제작된 트랜지스터를 개발했습니다. 이 물질은 결정질 산화물 구조로 제작될 수 있으며, 질서정연한 결정 격자는 전자 이동도에 매우 적합합니다.

"또한 저희는 결정질 산화물 트랜지스터가 '게이트 올 어라운드(gate-all-around)' 구조를 갖기를 원했습니다. 즉, 전류를 켜고 끄는 게이트가 전류가 흐르는 채널을 감싸는 구조입니다."라고 이 연구의 주저자인 안란 첸(Anlan Chen)은 설명합니다. "게이트를 채널 전체에 감쌈으로써 기존 게이트에 비해 효율과 확장성을 향상시킬 수 있습니다."

이러한 목표를 염두에 두고 연구팀은 연구에 착수했습니다. 연구진은 산화인듐에 갈륨을 '도핑'하여 불순물을 첨가해야 한다는 것을 알고 있었습니다. 이렇게 하면 재료가 전기와 더 유리하게 반응하게 될 것입니다.

"산화인듐은 산소 결손 결함을 포함하고 있어 캐리어 산란을 촉진하고 결과적으로 소자 안정성을 저하시킵니다."라고 수석 저자인 마사하루 고바야시는 말합니다. "산소 결손을 억제하고 결과적으로 트랜지스터의 신뢰성을 향상시키기 위해 산화인듐에 갈륨을 도핑했습니다."

연구팀은 원자층 증착(ALD) 기술을 사용하여 게이트-올-어라운드 트랜지스터의 채널 영역을 한 번에 한 원자층씩 InGaOx 박막으로 코팅했습니다. 증착 후, 박막을 가열하여 전자 이동도에 필요한 결정 구조로 변형시켰습니다. 이 공정을 통해 궁극적으로 게이트-올-어라운드 '금속 산화물 기반 전계 효과 트랜지스터'(MOSFET)를 제작할 수 있었습니다.

"갈륨 도핑된 산화인듐층을 포함하는 저희의 게이트 올 어라운드 MOSFET은 44.5 cm²/Vs의 높은 이동도를 달성합니다. "라고 첸 박사는 설명합니다. "중요한 점은 이 소자가 거의 3시간 동안 인가된 응력 하에서 안정적으로 작동하여 뛰어난 신뢰성을 보인다는 것입니다. 실제로 저희 MOSFET은 이전에 보고된 유사 소자들보다 우수한 성능을 보였습니다."

연구팀의 노력으로 재료와 구조의 중요성을 모두 고려한 새로운 트랜지스터 설계가 개발되었습니다. 이 연구는 빅데이터 및 인공지능과 같이 높은 연산 요구량을 가진 응용 분야에 적합한 신뢰성 높고 고밀도의 전자 부품 개발을 향한 한 걸음입니다. 이 초소형 트랜지스터는 차세대 기술이 원활하게 작동하도록 지원하여 우리의 일상생활에 큰 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.

"성능 및 신뢰성 향상을 위한 InGaOx 의 선택적 결정화를 통한 게이트-올-어라운드 나노시트 산화물 반도체 트랜지스터 "라는 논문이 2025 VLSI 기술 및 회로 심포지엄에서 발표되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250606231252.htm