작은 도약: 세계 최초의 기능성 2D 마이크로칩

May 30, 2023

작성자: King Abdullah 과학기술대학교(KAUST)2023년 6월 4일

KAUST의 Mario Lanza 교수와 그의 공동 연구진은 합성 재료를 사용하여 세계 최초의 2D 마이크로칩을 설계하는 데 성공했습니다. 제작상의 어려움에도 불구하고 팀은 고성능, 저전력 신경망 요소로 작동하는 칩을 성공적으로 만들어 마이크로칩 기술 발전의 문을 열었습니다. 크레딧: © 2023 KAUST; 마리오 란자

원자적으로 얇은 2차원 재료와 이국적인 특성을 통합한 기능성 마이크로칩의 첫 번째 시연은 마이크로 전자공학의 새로운 시대를 예고합니다.

이국적인 2차원 재료를 기반으로 한 세계 최초의 완전 통합형 기능성 마이크로칩이 KAUST에서 제작되었습니다. 이번 혁신은 마이크로칩 기반 기술의 기능과 성능을 확장할 수 있는 2D 재료의 잠재력을 보여줍니다.

Since the first fabrication of atomically thin layers of graphite — called grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> 그래핀 — 2004년에는 이국적이고 유망한 물리적 특성으로 인해 첨단 및 신규 응용 분야에 대한 이러한 재료에 대한 관심이 집중되었습니다. 그러나 20년 간의 연구에도 불구하고 이러한 2D 재료를 기반으로 한 기능성 마이크로 장치는 깨지기 쉬운 얇은 필름을 제조하고 처리하는 데 따른 어려움으로 인해 사용하기 어려운 것으로 나타났습니다.

기능성 2D 필름에 대한 Lanza 연구실의 최근 성과에 영감을 받아 KAUST가 주도한 협력은 이제 프로토타입 2D 기반 마이크로칩을 생산하고 시연했습니다.

"우리의 동기는 기존의 실리콘 기반 CMOS 마이크로회로를 기본 및 표준 반도체 제조 기술로 사용하여 2D 재료 기반 전자 장치 및 회로의 기술 준비 수준을 높이는 것이었습니다."라고 Lanza는 말합니다. "그러나 문제는 합성 2D 재료가 소형 장치의 고장을 유발할 수 있는 원자 불순물과 같은 국부적인 결함을 포함할 수 있다는 것입니다. 또한 2D 재료를 손상시키지 않고 마이크로칩에 통합하는 것도 매우 어렵습니다."

연구팀은 제작을 쉽게 하고 불량 영향을 최소화하기 위해 칩 설계를 최적화했다. 그들은 칩의 한 면에 표준 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 트랜지스터를 제작하고 아래쪽으로 상호 연결을 공급함으로써 이를 수행했습니다. 여기서 2D 재료는 가로가 0.25 마이크로미터 미만인 작은 패드로 안정적으로 전사될 수 있습니다.

"우리는 구리 호일 위에 2차원 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)를 생산하고 이를 저온 습식 공정을 사용하여 마이크로칩으로 전사한 다음 기존의 진공 증착 및 포토리소그래피를 통해 상단에 전극을 형성했습니다. 우리 내부에 있는 프로세스입니다."라고 Lanza는 말합니다. "이런 방식으로 우리는 크로스바 매트릭스에 연결된 1개의 트랜지스터/1개의 멤리스터 셀로 구성된 5×5 어레이를 생산했습니다."

원자 18개 또는 두께 6나노미터에 불과한 2D h-BN의 특이한 특성으로 인해 이상적인 "멤리스터"가 됩니다. 즉, 인가된 전압에 따라 저항이 설정될 수 있는 저항성 구성 요소입니다. 이 5×5 배열에서 각각의 마이크로스케일 멤리스터 패드는 단일 전용 트랜지스터에 연결됩니다. 이는 수천 사이클에 걸쳐 고성능 및 신뢰성을 갖춘 기능 장치(이 경우 저전력 신경망 요소)로서 멤리스터를 작동하는 데 필요한 미세한 전압 제어를 제공합니다.

"이 획기적인 혁신을 통해 우리는 이제 이 방향으로 계속 노력하기 위해 선도적인 반도체 회사들과 논의하고 있습니다"라고 Lanza는 말합니다. "우리는 또한 이 기능을 향상시키기 위해 KAUST에 2D 재료를 위한 자체 웨이퍼 규모 산업 처리 시스템을 설치하는 것을 고려하고 있습니다."