나노일렉트로닉스

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나노일렉트로닉스는 전자 부품에 나노 기술을 사용하는 것을 말한다.이 용어는 매우 작기 때문에 원자간 상호작용과 양자역학 특성을 광범위하게 연구할 필요가 있다는 공통적인 특성을 가진 다양한 장치 및 물질 집합을 포함한다.이러한 후보 제품에는 하이브리드 분자/반도체 전자제품, 1차원 나노튜브/나노와이어(실리콘 나노와이어 또는 카본 나노튜브) 또는 첨단 분자 전자제품이 포함됩니다.

나노 전자 소자는 크기 범위가 1 nm에서 100 [1]nm 사이인 임계 치수를 가집니다.22나노미터 CMOS(보완적 MOS) 노드와 14nm, 10nm, 7nm FinFET(핀 전계효과 트랜지스터) 세대 등 최근 실리콘 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor 전계효과 트랜지스터) 기술이 이미 이 체제에 들어섰다.나노일렉트로닉스는 기존의 트랜지스터와 크게 달라 파괴적인 기술로 평가되기도 한다.

기본 개념

1965년, 고든 무어는 실리콘 트랜지스터가 하향 조정되는 지속적인 과정을 거치고 있다는 것을 관찰했는데, 이는 후에 무어의 법칙으로 코드화 되었다.그의 관찰 이후 트랜지스터 최소 피처 사이즈는 10마이크로미터에서 2019년 현재 10nm 범위로 감소했습니다.테크놀로지 노드가 직접 최소 기능 크기를 나타내는 것은 아닙니다.나노일렉트로닉스 분야는 새로운 방법과 재료를 사용해 나노 크기의 전자 소자를 제작함으로써 이 법칙의 지속적인 실현을 가능하게 하는 것을 목표로 하고 있다.

기계적 문제

물체의 부피는 선형 치수의 세 번째 거듭제곱으로 감소하지만 표면적은 두 번째 거듭제곱으로 감소합니다.이 다소 미묘하고 피할 수 없는 원칙은 큰 파장을 초래한다.예를 들어 드릴(또는 다른 기계)의 힘은 부피에 비례하는 반면 드릴의 베어링과 기어의 마찰력은 표면적에 비례합니다.보통 크기의 드릴의 경우, 장치의 힘은 어떠한 마찰도 쉽게 극복할 수 있을 정도로 충분합니다.단, 예를 들어 길이를 1000배 줄이면 마찰력이 1000배(100만배) 감소하는2 반면 전력은 1000배3(10억배) 감소합니다.비례적으로 원래 드릴보다 유닛 마찰당 출력이 1000배 낮습니다.예를 들어 마찰 대 동력비가 1%라면 작은 드릴의 마찰력은 10배이므로 드릴은 무용지물입니다.

이러한 이유로 초소형 전자 집적회로는 완전히 기능하지만 마찰력이 사용 가능한 전력을 초과하기 시작하는 규모를 초과하는 기계 장치를 만드는 데 동일한 기술을 사용할 수 없습니다.따라서 섬세하게 식각된 실리콘 기어의 마이크로 사진을 볼 수 있지만, 이러한 장치는 현재 움직이는 거울이나 [2]셔터 등 현실 세계에 제한적으로 적용되고 있는 호기심에 지나지 않습니다.표면 장력은 거의 같은 방식으로 증가하며, 따라서 매우 작은 물체들이 서로 달라붙는 경향을 확대합니다.이것은 어떤 종류의 "마이크로 팩토리"도 실용적이지 않게 만들 수 있습니다. 로봇 팔과 손이 축소될 수 있다고 해도, 그들이 집어들고 있는 것은 모두 내려놓을 수 없는 경향이 있습니다.위에서 말한 바와 같이, 분자 진화는 섬모, 편모, 근육 섬유, 회전 모터를 모두 나노 규모의 수성 환경에서 작동하게 만들었다.이 기계들은 마이크로 또는 나노크기에서 발견되는 증가된 마찰력을 이용한다.추진력을 얻기 위해 정상적인 마찰력(표면에 수직인 마찰력)에 의존하는 패들 또는 프로펠러와 달리 섬모는 마이크로 및 나노 차원에서 존재하는 과도한 드래그 또는 층력(표면에 평행한 마찰력)으로부터 운동을 전개합니다.나노스케일로 의미 있는 "기계"를 만들기 위해서는 관련된 힘이 고려되어야 합니다.우리는 거시적인 기계의 단순한 복제보다는 본질적으로 관련된 기계의 개발과 설계에 직면해 있다.

따라서 실제 적용에 대한 나노 기술을 평가할 때 모든 확장 문제를 철저히 평가할 필요가 있습니다.

접근

나노패브릭

주요 기사:나노시크릿 및 나노리소그래피

예를 들어 단일 전자에 기반한 트랜지스터 작동을 수반하는 전자 트랜지스터입니다.나노 전자 공학 시스템도 이 범주에 속합니다.나노 가공은 [3][4]나노와이어를 개별적으로 합성하는 대안으로 나노와이어의 초고밀도 병렬 어레이를 구축하는 데 사용될 수 있습니다.특히 이 분야에서 실리콘 나노와이어는 나노일렉트로닉스, 에너지 변환 및 저장 분야에서 다양한 용도로 연구되고 있습니다.이러한 SiNW는 열산화에 의해 대량으로 제작되어 제어 가능한 두께의 나노와이어를 생산할 수 있습니다.

나노재료 전자제품

나노와이어 및/또는 나노튜브의 균일하고 대칭적인 구조는 소형이며 단일 칩에 더 많은 트랜지스터를 충전할 수 있을 뿐만 아니라 더 높은 전자이동성(재료 내에서의 더 빠른 전자이동성), 더 높은 유전율(더 빠른 주파수) 및 대칭적인 전자/홀 [5]특성을 가능하게 한다.

또한 나노입자를 양자점으로 사용할 수 있다.

분자 전자 공학

주요 기사:분자 스케일 전자 공학

단일 분자 소자는 또 다른 가능성이다.이러한 방식은 분자 자가조립을 많이 사용하여 더 큰 구조 또는 전체 시스템을 자체적으로 구축하도록 장치 구성요소를 설계할 수 있습니다.이는 재구성 가능한 컴퓨팅에 매우 유용하며 현재의 FPGA 기술을 완전히 대체할 수도 있습니다.

분자전자는[6] 아직 걸음마 단계에 있는 새로운 기술이지만, 또한 미래의 진정한 원자 규모의 전자 시스템에 대한 희망을 가져다 준다.분자 전자 장치의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 IBM의 연구원 Ari Aviram과 이론 화학자 Mark Ratner가 1974년과 1988년에 발표한 논문 Molecular for Memory, Logic and Amplification([7][8]메모리, 논리 및 증폭을 위한 분자)에서 제안한 것입니다(단분자 정류기 참조).

이것은 유기 화학에 의해 분자 레벨의 다이오드/트랜지스터가 합성될 수 있는 많은 방법 중 하나입니다.폴리티오펜 분자선에 의해 연결될 수 있는 약 0.5나노미터의 분자 다이오드를 제공하는 스피로 탄소 구조를 가진 모델 시스템이 제안되었다.이론적인 계산 결과 디자인은 원칙적으로 건전한 것으로 나타났으며 이러한 시스템이 작동할 수 있을 것이라는 희망은 여전히 있습니다.

기타 접근법

나노이온학은 나노스케일 시스템에서 전자보다는 이온의 전달을 연구한다.

나노포토닉스는 나노스케일에 대한 빛의 움직임을 연구해 이를 이용한 소자 개발을 목표로 하고 있다.

역사

다음 항목도 참조하십시오.나노기술의 역사, 반도체 소자 제작 및 트랜지스터 수

금속 나노층 기반 트랜지스터는 A에 의해 제안되고 시연되었습니다.1960년에는 로즈, 1962년에는 아탈라, 칸, 게퍼트에 의해 만들어졌다.Geppert, Atalla 및 Kahng은 1962년에 10 nm [9]두께의 금(Au) 박막을 사용한 나노층 기반 금속-반도체 접합 트랜지스터를 제작했습니다.1987년 Bijan Davari가 이끄는 IBM 연구팀은 [10]텅스텐 게이트 기술을 사용하여 10 nm 게이트 산화물 두께의 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 시연했습니다.

멀티게이트 MOSFET는 3차원 비평면 이중게이트 [11]MOSFET인 FinFET(핀 전계효과 트랜지스터)에서 시작하여 게이트 길이 20nm 미만의 스케일링을 가능하게 했습니다.FinFET는 1989년 [12][13][14][15]히타치 중앙연구소의 다이히사모토, 카가 토루, 가와모토 요시후미, 다케다 에이지가 개발한 델타 트랜지스터에서 유래했다.1997년 DARPA는 UC 버클리 연구팀에 딥 서브미크론 델타 트랜지스터 [15]개발 계약을 체결했습니다.이 그룹은 TSMC의 Chenming Hu와 함께 Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor, Hideki Takenuchi, K. Asano, Jakub Kedziersk, Xuejue Huang, Leland Chang, Nick Lindert, Shery Tabily를 포함한 다른 국제적인 연구원들로 구성되어 있다.연구팀은 1998년 FinFET 소자를 17nm 공정으로, 2001년 15nm 공정으로 만드는 데 성공했다.2002년 Yu, Chang, Ahmed, Hu, Liu, Bokor, Tabery로 구성된 팀은 10 nm의 FinFET 장치를 [11]제작했다.

1999년 프랑스 그르노블 소재 전자정보기술연구소에서 개발한 CMOS(Complementary MOS) 트랜지스터는 직경 18nm(약 70개의 원자가 나란히 배치됨)의 MOSFET 트랜지스터 원리의 한계를 시험했다.그것은 1유로짜리 동전에 70억 개의 접합부를 이론적으로 통합할 수 있게 했다.그러나 CMOS 트랜지스터는 CMOS 테크놀로지가 어떻게 기능하는지를 연구하기 위한 단순한 연구 실험이 아니라, 우리 자신이 분자 규모로 작업하는 것에 점점 가까워지고 있는 지금, 이 테크놀로지가 어떻게 기능하는지를 보여주는 실험이었다.2007년 Jean-Baptiste Waldner에 따르면 회로상의 다수의 트랜지스터의 조정된 조립을 마스터하는 것은 불가능하며 산업 차원에서 [16]이를 작성하는 것도 불가능할 것이라고 합니다.

2006년 한국과학기술원(KAIST)과 국립나노팹센터 연구팀이 세계에서 가장 작은 나노 전자 소자인 3nm MOSFET를 개발했다.게이트 올라운드(GAA) 핀펫 [17][18]기술을 기반으로 했다.

나노전자 반도체 소자의 상업적인 생산은 2010년대에 시작되었다.2013년 SK하이닉스는 16nm [19]공정의 상용 양산을 시작했고 TSMC는 16nm FinFET 공정,[20][21] 삼성전자는 10nm급 공정의 생산을 시작했다.TSMC는 2017년부터 [22]7nm 공정 생산을 시작했으며 삼성은 2018년부터 [23]5nm 공정 생산을 시작했다.2017년, TSMC는 [24]2022년까지 3nm 공정의 상용 생산 계획을 발표했습니다.삼성은 2019년 [25]3nm GAFET(게이트만능FET) 공정 계획을 2021년까지 발표했다.

나노 전자 장치

현재의 첨단기술 생산 공정은 이미 나노기술이 조용히 도입된 기존의 하향식 전략에 기초하고 있다.집적회로의 임계길이 척도는 CPU 또는 DRAM 디바이스의 트랜지스터 게이트 길이에 관해 이미 나노스케일(50nm 이하)에 있습니다.

컴퓨터

나노와이어 MOSFET에서의 반전채널(전자밀도) 형성 및 역치전압(IV) 달성을 위한 시뮬레이션 결과.이 장치의 임계값 전압은 약 0.45V입니다.

나노일렉트로닉스는 컴퓨터 프로세서를 기존의 반도체 제조 기술로 가능한 것보다 더 강력하게 만들겠다는 약속을 가지고 있다.기존의 CMOS 구성 요소 대신 나노와이어나 작은 분자와 같은 나노 물질을 사용하는 것뿐만 아니라 새로운 형태의 나노 석판술을 포함한 많은 접근법이 현재 연구되고 있습니다.전계효과 트랜지스터는 반도체 카본 나노튜브와[26] 헤테로구조 반도체 나노와이어(SiNW)[27]를 모두 사용해 만들어졌다.

메모리 스토리지

과거의 전자 메모리 설계는 주로 트랜지스터 형성에 의존해 왔다.그러나 크로스바 스위치 기반 전자제품에 대한 연구는 초고밀도 메모리를 만들기 위해 수직 및 수평 배선 어레이 간에 재구성 가능한 상호 연결을 사용하는 대안을 제시했습니다.나노램이라는 카본나노튜브 기반 크로스바 메모리를 개발한 난테로와 플래시 [citation needed]메모리 대체재로 멤리스터 소재를 사용할 것을 제안한 휴렛패커드가 대표적이다.

이러한 새로운 장치의 예는 스핀트로닉스에 기반을 두고 있다.외부 장에 대한 물질의 저항(전자의 회전으로 인한)의 의존성을 자기 저항이라고 합니다.예를 들어 두 개의 강자성층이 수 나노미터 두께의 비자성층(예: Co-Cu-Co)에 의해 분리될 때 나노 크기의 물체에 대해 이 효과가 크게 증폭될 수 있다.GMR 효과는 하드 디스크의 데이터 스토리지 밀도를 크게 증가시켰고 기가바이트 범위를 가능하게 했습니다.이른바 터널링 자기저항(TMR)은 GMR과 매우 유사하며 인접한 강자성층을 통과하는 전자의 스핀 의존형 터널링을 기반으로 합니다.GMR 효과와 TMR 효과를 모두 사용하여 이른바 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM)[citation needed]와 같은 컴퓨터용 비휘발성 메인메모리를 만들 수 있습니다.

나노 전자 메모리의 상업적인 생산은 2010년대에 시작되었다.2013년 SK하이닉스는 16nm 낸드플래시 [19]양산을, 삼성전자는 10nm 멀티레벨셀(MLC) 낸드플래시 [21]생산을 시작했다.2017년 TSMC는 7nm [22]공정을 이용한 SRAM 메모리 생산을 시작했습니다.

새로운 광전자 장치

현대 통신 기술에서 기존의 아날로그 전기 장치는 각각 엄청난 대역폭과 용량으로 인해 광학 장치 또는 광전자 장치로 점차 대체되고 있습니다.두 가지 유망한 예는 광결정과 양자점입니다.[citation needed]광결정은 사용된 빛의 파장의 절반인 격자 상수를 가진 굴절률의 주기적인 변화를 가진 물질입니다.특정 파장의 전파를 위해 선택 가능한 밴드 갭을 제공하므로 반도체와 유사하지만 전자 대신 빛이나 광자를 사용합니다.양자점은 나노스케일 물체로 레이저를 만드는데 사용될 수 있다.전통적인 반도체 레이저에 비해 양자점 레이저의 장점은 방사된 파장이 점의 직경에 따라 다르다는 것입니다.퀀텀닷 레이저는 기존 레이저 다이오드보다 가격이 저렴하고 빔 품질도 높습니다.

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디스플레이

에너지 소비량이 낮은 디스플레이의 생산은 탄소 나노튜브(CNT) 및/또는 실리콘 나노와이어를 사용하여 달성할 수 있습니다.이러한 나노구조는 전기 전도성이 뛰어나며, 직경이 수 나노미터로 작기 때문에 전계 방출 디스플레이(FED)의 매우 높은 효율로 전계 방출체로 사용될 수 있다.작동 원리는 음극선 튜브와 비슷하지만 길이가 훨씬 [citation needed]작습니다.

양자 컴퓨터

주요 기사:양자 컴퓨터

컴퓨팅을 위한 완전히 새로운 접근법은 새로운 양자컴퓨터에 양자역학의 법칙을 이용하여 고속 양자알고리즘을 사용할 수 있게 합니다.Quantum 컴퓨터에는 동시에 여러 계산을 위한 Quit라는 이름의 양자 비트 메모리 공간이 있습니다.나노전자장치에서 큐비트는 하나 이상의 전자가 스핀하는 양자상태에 의해 부호화된다.스핀은 반도체 양자점 또는 도판트에 의해 [28]구속됩니다.

무선

나노라디오는 탄소 나노튜브를 중심으로 [29]개발되어 왔다.

에너지 생산

나노와이어와 다른 나노구조 재료를 사용하는 연구는 기존의 평면 실리콘 [30]태양전지로 가능한 것보다 저렴하고 효율적인 태양전지를 만들기 위해 진행 중이다.보다 효율적인 태양 에너지의 발명은 세계적인 에너지 수요를 충족시키는 데 큰 영향을 미칠 것으로 믿어진다.

바이오나노 발전기로 불리는 생체 내에서 작동하는 소자의 에너지 생산에 대한 연구도 있다.바이오나노 발전기는 연료전지나 갈바닉 전지처럼 나노 크기의 전기화학 소자이지만 신체가 음식에서 에너지를 생성하는 것과 마찬가지로 생체 내 혈당으로부터 에너지를 끌어당기는 것이다.그 효과를 얻기 위해, 효소는 전자로부터 포도당을 제거할 수 있는 효소를 사용하여 전자 소자에 사용할 수 있게 한다.이론적으로 보통 사람의 몸은 바이오나노 [31]발전기를 사용하여 100와트의 전기를 생산할 수 있다.하지만, 이 추정치는 모든 음식이 전기로 전환되고 인체가 일정하게 에너지를 필요로 하기 때문에, 발생 가능한 전력은 훨씬 더 낮을 수 있다.이러한 장치에 의해 생성된 전기는 체내에 내장된 장치(심박조율기 등) 또는 당분 공급 나노로봇에 전력을 공급할 수 있다.바이오나노 발전기에 대한 연구의 대부분은 아직 실험적인 것으로 파나소닉의 나노기술 연구소가 선두에 있다.

의료 진단

생체분자의 농도를 실시간으로 검출해 [35]의료진단용으로 사용할 수 있는 나노전자[32][33][34] 소자 구축에 관심이 높아 나노의학 [36]범주에 들어간다.병렬 연구는 기초 생물학 [37]연구에 사용하기 위해 단일 세포와 상호작용할 수 있는 나노 전자 장치를 만드는 것을 추구합니다.이 장치들은 나노센서라고 불린다.생체 내 단백질 감지를 위한 나노 전자공학의 이러한 소형화는 건강 모니터링,[38][39][40] 감시 및 방어 기술에 대한 새로운 접근법을 가능하게 할 것이다.

레퍼런스

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