1. 열 트랜지스터의 등장

캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA) 연구팀이 개발한 혁신적인 열 트랜지스터가 획기적인 기술 발전을 이루었습니다. 이는 컴퓨터 칩의 열 관리를 위한 원자 수준 설계 및 분자 공학 분야에서 비교할 수 없는 잠재력을 보유하고 있습니다.

이 새로운 유형의 전고체 열 트랜지스터는 전기장 효과를 활용하여 반도체 부품 내 열 이동을 정밀하게 제어합니다. 컴퓨터 칩의 열 관리를 위한 원자 수준 설계 및 분자 공학 분야에서 비교할 수 없는 잠재력을 보유하는 동시에 현재 반도체 제조 공정과의 뛰어난 호환성을 보여줍니다.

이 트랜지스터는 1테라헤르츠를 초과하는 기록적인 스위칭 속도를 달성했으며 1300%의 열전도 조정 가능성을 제공하여 이전의 열전도도 변조 한계를 뛰어넘었습니다.

이 기술을 검증하기 위해 자기 조립된 분자 인터페이스를 사용하여 전기장을 통해 열 저항을 정밀하게 조정하여 열 이동 제어를 시연했습니다.

이 확장 가능한 기술 혁신은 칩 제조 및 성능의 획기적인 도약을 의미할 뿐만 아니라 분자 수준의 열 관리 발전을 약속하여 잠재적으로 살아있는 세포 영역까지 확장됩니다.

기술 지원은 UCLA 나노전자공학 연구 시설 및 CNSI에서 제공되며, UCLA 도서관의 디지털 연구 및 교육 부서와 디지털 연구 및 교육 연구소의 고급 네트워크 인프라 조정 생태계의 정보 리소스가 제공됩니다.

2. ASML의 EUV 리소그래피 장비 업그레이드

2023년 ASML은 최초의 High-NA EUV 스캐너인 Twinscan EXE:5000을 Intel에 납품했습니다. 이 기계의 공동 개발은 2018년에 시작되었습니다. Intel은 5200년에 대량 생산을 위해 상용급 Twinscan EXE:2025을 배포할 계획입니다.

High-NA EUV 스캐너의 0.55 NA 렌즈는 8nm 해상도를 보장하며 이는 3nm 이상의 고급 칩 생산에 중요합니다. 이 최첨단 장비를 채택한 최초의 회사로서 Intel은 업계 표준을 설정하는 데 있어 전략적 이점을 확보하여 향후 경쟁사인 Samsung 및 TSMC를 능가할 가능성이 있습니다.

High-NA 스캐너는 빔 크기가 다시 절반으로 줄어들어 상당한 인프라 투자가 필요한 고유한 기능을 갖추고 있습니다. 인텔이 이 최신 기술을 조기에 채택한 것은 보다 진보된 제조 기술을 배포하기 위한 중요한 준비 단계입니다. ASML은 20~2027년까지 매년 2028개의 High-NA EUV 스캐너를 생산하여 이 기술을 미래 발전의 초석으로 삼기 위해 노력하고 있습니다. 인텔은 업계 리더로 자리매김하는 것을 목표로 하고 있습니다.

3. AI 설계 칩

Google이 발표한 논란의 여지가 있는 연구 논문은 칩 설계를 위한 인공 지능의 상당한 발전을 주장하여 업계에 충격을 안겨주었습니다.

구글은 자사의 인공지능 기술이 AI 칩의 기본 처리 장치의 레이아웃 계획을 가속화해 인간 전문가의 능력을 훨씬 능가하는 6시간 이내에 작업을 완료했다고 주장합니다.

TPU v5 칩은 논란을 불러일으켰습니다. 구글은 그 목적이 인간 설계자를 대체하는 것이 아니라 AI가 칩 설계 과정에서 협업할 수 있음을 보여주는 것이라고 주장합니다. (미국인들도 AI가 일자리를 빼앗는 것을 걱정하고 있는데, 구글은 실험일 뿐이고 실제 사용하지는 않을 것이라고 합니다. 믿으시나요?)

이 연구의 타당성과 남아 있는 과제에 대한 동료 연구자들의 회의론에도 불구하고, 이는 기술 혁신을 추진하는 데 중요한 역할을 합니다. 기술이 성숙되면 칩 설계 산업의 환경은 큰 변화를 겪게 됩니다.

4. 칩용 역전원 공급 기술

인텔은 RibbonFET 출시와 함께 새로운 기술인 PowerVia를 조심스럽게 도입하고 있습니다. PowerVia는 실리콘 바닥에 전원 상호 연결을 배치하여 후면 전력 공급을 사용하므로 주파수가 6% 증가하고 설계가 더욱 컴팩트하며 전력 손실이 30% 감소합니다.

테스트 결과 비용 증가나 신뢰성 감소가 없는 것으로 나타났습니다. 제조 공정에는 나노스케일 비아 드릴링(TSV), 캐리어 웨이퍼 본딩, 칩 하단에 전력 상호 연결 설정 등이 포함됩니다. 복잡성이 추가되었음에도 불구하고 Intel은 전원 상호 연결 없이 M0 계층을 최적화하여 비용 절감을 달성했습니다.

PowerVia는 Intel의 생산 공정에 성공적으로 통합되어 20년에 RibbonFET 트랜지스터를 갖춘 2024A 노드를 위한 길을 열었습니다. 이러한 발전으로 Intel은 잠재적으로 나노시트 트랜지스터 및 후면 전력 공급 분야에서 TSMC 및 Samsung과 같은 경쟁사를 능가할 수 있게 되었습니다.

5. 레이저 통합 칩

포토닉스 집적 회로(PIC)는 고속 광 트랜시버 및 LIDAR와 같은 애플리케이션에 광범위하게 적용되었습니다. 그러나 실리콘 포토닉스 칩에 레이저를 통합하는 것은 실리콘의 제한된 방출 효율로 인해 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 벨기에의 나노전자공학 연구센터인 Imec이 이 연구 노력을 주도하고 있습니다. 플립칩 본딩이라는 프로세스에서 레이저 다이는 마이크론 미만의 정확도로 정밀하게 정렬되고 전송되어 실리콘 포토닉스 웨이퍼에 접착됩니다.

웨이퍼 레벨 실리콘 포토닉스 공정은 최대 80%의 결합 효율을 달성했으며 일부 응용 사례에서는 만족스러운 60%에 도달했습니다. 이는 이 접근 방식의 효율성을 보여줍니다.

레이저 다이를 이송하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 접근 방식은 신속한 조립 및 결합을 위해 접착제 또는 분자 결합을 사용하는 마이크로 전사 인쇄입니다. 이 방법은 다수의 III-V 구성 요소를 통합해야 하는 처리량이 많은 시나리오에서 매우 유용합니다. 웨이퍼 본딩은 III-V 재료를 실리콘 웨이퍼에 접착하는 또 다른 기술로, 여러 장치의 병렬 처리를 허용하고 광학 인터페이스에 더 높은 효율성을 제공합니다.

Imec의 기술은 최첨단 접근 방식을 대표하는 NRE(Nano Ridge Engineering)라고도 알려진 모놀리식 통합입니다. 이 방법은 트렌치 감금을 활용하여 결함을 제한하고, 실리콘에서 III-V 재료의 결함 없는 성장을 달성하는 것을 목표로 합니다.

Imec의 NRE 기술은 300mm 실리콘 생산 라인에서 고품질 GaAs 기반 포토다이오드 생산을 가능하게 합니다.

플립칩 처리는 단순성과 유연성을 제공하지만 순차적 특성으로 인해 생산 효율성이 제한됩니다. 이와 대조적으로 마이크로 전사 인쇄 및 웨이퍼 본딩은 더 높은 비용이 필요함에도 불구하고 광자 IC당 여러 개의 레이저가 필요한 응용 분야에서 더 높은 처리량과 더 낮은 비용 잠재력을 보여줍니다. 모놀리식 통합, 특히 NRE는 기본 구성 요소의 실리콘에서 직접 무결함 성장이라는 근본적인 문제를 해결함으로써 유망한 방향을 제시합니다. 이 프로세스의 보급과 발전으로 실리콘 포토닉스 분야의 다양한 응용 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있게 되었습니다.

6. 광자 융합

스탠포드 대학교 Congreve Lab의 연구원들은 두 개의 저에너지 광자를 하나의 고에너지 광자로 변환하는 주파수 상향 변환에 초점을 맞춘 광변색 기술을 개척하고 있습니다. 삼중항-삼중항 소멸 방법을 사용하고 팔라듐, 이리듐, 백금과 같은 중금속과 루브렌과 같은 여기성 물질의 삼중항 감응 특성을 활용하여 팀은 고에너지 광자의 효율적인 방출을 성공적으로 달성했습니다.

이 공정은 빛의 파장을 실리콘 태양전지가 흡수할 수 있는 파장으로 변환해 본질적으로 빛의 색을 변화시키는 과정이다(색변환기술). 이 기술은 태양 에너지 효율을 향상시키기 위해 적용되어 잠재적으로 15~20% 증가합니다.

또한 연구 실험을 통해 업컨버젼 기술을 사용한 3D 프린팅 기능을 통해 저전력 레이저를 사용하여 특정 지점에서 수지를 정밀하게 경화할 수 있음이 입증되었습니다. 이는 적층 제조에 새로운 가능성을 제공합니다. 이러한 저전력 레이저는 나노 크기의 물체를 병렬로 신속하게 인쇄하여 인쇄 정밀도의 현재 한계를 극복할 수 있습니다.

이 혁신적인 기술은 태양 에너지 및 3D 프린팅의 과제를 해결할 뿐만 아니라 심부 조직 이미징, 광유전학, 야간 투시 시스템 및 위조 방지 솔루션을 포함한 다양한 응용 분야에 대한 가능성을 제시합니다. 연구자들은 심부 조직 이미징, 광유전학 및 살아있는 조직 내 국소 화학 반응 응용을 위한 근적외선 주파수 상향 변환 기술의 응용을 탐구했습니다.

Congreve Lab의 작업은 다양한 산업 전반에 걸쳐 주파수 상향 변환 기술의 다양하고 혁신적인 잠재력을 보여주며 잠재적인 적용의 시작일 뿐입니다.

7. 칩 규모의 전자 가속기

에를랑겐-뉘른베르크 대학의 물리학자들은 칩 크기의 전자 가속기 분야에서 상당한 발전을 이루었습니다. 연구팀은 유전체 재료를 이용해 칩 위에 가속기를 제작해 폭 225나노미터, 길이 0.5밀리미터의 채널을 만들었다. 정확한 시간에 맞춰진 적외선 레이저 펄스와 높이가 각각 733마이크로미터인 2개의 실리콘 기둥을 사용함으로써 전자 에너지를 무려 43%나 늘릴 수 있었습니다.

이는 가속기 물리학 분야에서 중요한 도약을 나타냅니다. 나노광자 전자 가속기는 전자빔 리소그래피와 같은 표준 클린룸 기술을 사용하여 제작할 수 있습니다. 연구원들은 싱크로트론 광원, 자유 전자 레이저 및 경량 암흑 물질 검색 분야의 응용 분야를 탐색하기 위한 소형 가속기를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

8.고속 반도체용 신소재

과학자들은 현재까지 가장 빠르고 효율적인 반도체 물질인 Re6Se8Cl2를 발견했습니다. 이 물질은 레늄, 셀레늄, 염소로 구성되어 있으며 "슈퍼원자"라고 알려진 클러스터를 형성합니다. 이러한 슈퍼원자는 결합된 엑시톤(전자-정공 쌍)이 산란 상태가 아닌 포논과 상호 작용하는 독특한 구조를 생성하여 음향 엑시톤-폴라론이라는 새로운 준입자를 생성합니다.

이 새로운 슈퍼 반도체의 주요 특징은 다음과 같습니다.

★ Re6Se8Cl2는 실온에서 지속적인 탄도 여기자 운동을 나타내며, 음향 여기자-폴라론의 이동 속도는 실리콘 내 전자의 이동 속도의 두 배입니다.

★ 전자가 짧은 거리에 걸쳐 산란되는 기존 반도체와 달리 Re6Se8Cl2의 엑시톤-폴라론은 나노초 내에 수 마이크로미터를 횡단하여 탁월한 속도 성능을 보여줍니다.

★ 이 반도체는 전류가 아닌 광 제어를 기반으로 작동하여 현재 사용 가능한 기가헤르츠 범위의 전자 장치보다 훨씬 빠른 펨토초 범위의 처리 속도를 달성합니다.

★ Re6Se8Cl2는 반데르발스 물질이며 초원자 반도체 계열의 일부입니다. 그러나 레늄은 희귀한 원소이기 때문에 연구자들은 비슷한 특성을 지닌 대체 물질을 찾고 있습니다.

★ 음향 엑시톤-폴라론은 비전통적인 재료에서 장거리 에너지 전달을 달성하기 위한 새로운 방법을 제공하여 전통적인 반도체 용도를 넘어 응용 범위를 확장합니다.

★ 전자 대신 엑시톤을 활용하면 효율적인 광검출기 역할을 하거나 컴퓨팅에서 에너지 효율성과 성능을 향상시키는 응용 분야를 찾을 수 있습니다. 잠재적인 장치에는 "탄도 트랜지스터"가 포함됩니다.

연구원들은 엑시톤이 전자처럼 정보와 에너지를 전달하지만 현재 반도체 산업 하드웨어와 직접적으로 호환되지 않을 수 있다고 강조합니다. 이러한 발견은 고유한 기능을 갖춘 고급 반도체 장치를 설계하기 위한 새로운 길을 열어줍니다.

여기에는 새로운 개념이 많이 있으므로 몇 가지 설명을 추가하겠습니다.

엑시톤

엑시톤(exciton)은 결정질 물질 내에서 쿨롱 힘을 통해 전자와 정공(양으로 하전된 공극)이 상호 작용하는 시스템을 설명하기 위해 고체 물리학에서 사용되는 준입자입니다.

포논

포논은 격자 진동의 양자화된 단위로, 양자역학에서 설명한 대로 결정 격자의 정상 진동 모드와 관련된 가장 작은 에너지 양자를 나타냅니다.

슈퍼원자

슈퍼원자는 단일 원자와 유사한 특성을 나타내는 여러 원자로 구성된 안정적인 구조 단위입니다. 이들의 물리적, 화학적 특성은 구성 원자의 수, 구조 및 구성에 따라 다릅니다.

준입자

준입자(quasiparticle)는 특정 조건에서 상호 작용으로 인해 일시적으로 형성되는 새로운 입자와 같은 상태로, 일반적인 기본 입자와는 다른 집합적 특성을 나타냅니다. 예를 들어, 초전도체에서 전자와 포논 사이의 상호 작용은 초전도체 내의 기존 전자와 유사하게 작용하는 하전된 보손인 쿠퍼 쌍을 형성할 수 있습니다. 따라서 쿠퍼 쌍은 준입자로 간주될 수 있습니다.

9. 반도체의 지속 가능성 문제: 질화갈륨과 탄화규소

기존 실리콘 기술에 비해 질화갈륨(GaN) 및 탄화규소(SiC) 반도체가 갖는 장점으로 인해 전력 전자 분야는 상당한 변화를 겪고 있습니다. 2001년경, GaN 기반의 화합물 반도체는 조명 산업에 혁명적인 변화를 촉발하여 전 세계 GaN 기반 LED 조명 시장의 50% 이상을 빠르게 점유했습니다. 이러한 변화는 조명 전력 소비를 30~40% 줄였을 뿐만 아니라 전력 전자 분야에서 보다 폭넓고 혁신적인 변화를 위한 토대를 마련했습니다. GaN과 SiC는 뛰어난 효율성과 기능성으로 중요한 전력 전자 애플리케이션에서 실리콘을 대체하는 데 크게 기여하고 있습니다. 이러한 소재는 에너지 낭비를 줄이고 상당한 환경적 이점을 제공합니다.

이러한 새로운 기술 발전은 반도체 산업을 형성하는 동시에 향후 몇 년간의 발전 궤적도 강조합니다. 기술의 경계가 지속적으로 확장됨에 따라 변함없는 유일한 것은 끊임없는 혁신입니다.