[뉴테크] 2차원 소재로 만든 마이크로칩 나왔다

사우디 연구팀, ‘하이브리드 2D-CMOS 마이크로칩’ 개발
질화붕소 멤리스터 제작… 크기 6㎚ 수준
기존 2D 마이크로칩 결함 없애… “안정적으로 작동”

마리오 란자 사우디아라비아 킹압둘아과학기술대 재료과학과 교수팀이 개발한 ‘하이브리드 2D-CMOS 마이크로칩’. /KAUST

두께가 원자 수준의 얇은 평면 (2차원) 재료로 만든 기능성 마이크로칩이 세계 최초로 개발됐다. 이 기술을 활용하면 2차원(2D) 재료를 활용해 다양한 기능을 가지는 마이크로칩을 개발할 수 있어 저전력과 고성능의 소형 전자기기 개발이 가능해질 것으로 과학계는 보고 있다.

사우디아라비아 킹압둘아과학기술대는 1일 마리오 란자 재료과학과 교수팀이 육각형 질화붕소를 이용해 매우 얇은 ‘하이브리드 상보성 금속 산화물반도체(CMOS) 마이크로칩’을 개발했다고 밝혔다.

과학자들은 2004년 육각형 형태의 탄소 덩어리인 그래핀을 처음 개발한 이후 전기적으나 기계적으로 우수한 2D 소재 개발에 나서고 있다. 하지만 20년간 연구에도 불구하고 평면 소재를 기반으로 하는 마이크로 장치는 깨지기 쉽고 취급하기가 어려워 좀처럼 현장에서 사용하기 어려웠다. 또 데이터를 전송할 때 균열이 발생하거나 계산이 제대로 작동하지 않는 어려움이 있었다.

연구팀은 실리콘 기반의 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 마이크로 회로 기술을 활용해 2D 재료로 만든 마이크로칩 개발에 나섰다. 연구팀은 2차원 물질인 육각형 질화붕소로 두께 원자 18개 두께의 6㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 크기의 멤리스터(Memristor)를 만들었다. 멤리스터는 메모리(Memory)와 레지스터(Resistor)의 합성어로 전원공급이 끊겼을 때도 이전의 상태를 기억하는 메모리 소자다. 연구팀은 구리판에 육각형 질화붕소를 생산하고 저온 습식 공정으로 마이크로칩에 멤리스터를 옮겨 전극을 형성했다.

멤리스터는 ‘5x5′ 배열의 패드로 만들어져 단일 전용 트랜지스터에 연결된다. 트랜지스터는 전류와 전압 흐름을 조절해 증폭하거나 스위치 역할을 하는데, 연구팀이 개발한 마이크로칩에는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS)가 쓰여 질화붕소 멤리스터 전류를 제어한다. CMOS 트랜지스터는 소비전력이 매우 적어 저전력으로 고성능 반도체를 만드는데 활용된다.

연구팀은 이런 방식으로 멤리스터와 CMOS 트랜지스터를 결합해 2㎠ 크기의 마이크로칩을 개발하고 산업용 클린룸에서 지름 20㎝의 실리콘 웨이퍼를 제작했다.

이전까지 마이크로칩은 대부분 불규칙한 전류 변동이 나타났다. 하지만 새 2D 마이크로칩은 전류를 정밀하게 제어하고 회로 내 신호가 불규칙한 패턴이 나타나지 않는다. 실제로 연구팀에 따르면 처음 제작한 마이크로칩 40개 중 32개(80%)에서, 마지막으로 제작한 마이크로칩은 100% 안정적인 신호 스위칭이 나타났다.

이 2D 마이크로칩은 사물인터넷(IoT)과 같은 저전력 집적 회로가 필요한 분야에 적용될 것으로 기대된다. 연구팀은 “(새로 개발한 마이크로칩은) 메모리 계층 구조 내에서 낸드플래시와 D램 사이의 틈새 응용 분야에 활용될 수 있다”며 “사물인터넷 내 저전력 집적 회로에 유효하다”고 설명했다.

이번 연구는 국제 학술지 네이처(Nature)에 올해 3월 27일에도 공개됐다.

참고 자료

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05973-1

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