단일 원자로 구성된 트랜지스터는 탁월한 메모리와 처리 능력을 갖춘 차세대 컴퓨터의 빌딩 블록이 될 수 있다.

미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)와 메릴랜드대 과학자들이 원자 규모 장치를 생산하기 위한 단계별 공정을 개발했다.

NIST가 주도하는 연구팀은 단일 원자 트랜지스터 장치를 제조, 원자 규모로 제어하는데 성공했다. 과학자들은 개별 전자가 트랜지스터의 물리적 간격이나 전기 장벽을 통해 흐르는 속도를 정확하게 조정할 수 있음을 보여주었다.

양자 터널링(quantum tunneling)으로 알려진 이 양자 현상은 미니어처 트랜지스터와 같이 갭이 매우 작은 경우에만 중요하다. 양자 터널링에 대한 정밀한 제어는 트랜지스터가 양자 역학을 통해 가능한 방식으로 “얽힘” 을 만들어 양자 컴퓨팅에 사용될 수 있는 양자 비트 즉 큐비트(qubits)를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.

단일 원자 및 소수 원자 트랜지스터를 제작하기 위해 이 팀은 실리콘 칩이 수소 원자 층으로 덮여 실리콘에 쉽게 결합하는 알려진 기술에 의존했다. 스캐닝 터널링 현미경(STM)의 미세 팁은 선택된 위치에서 수소 원자를 제거했다. 나머지 수소는 장벽으로 작용해 팀이 실리콘 표면에 포스 핀 가스(PH3)를 보낼 때 수소가 제거 된 위치에만 개별 PH3 분자가 증착됐다.

그런 다음 연구원들은 실리콘 표면을 가열했다. 열은 PH3에서 수소 원자를 제거하고 인(phosphorus) 원자가 표면에 남게했다. 추가 처리를 통해 결합된 인 원자는 큐비트 역할을 할 가능성이 있는 일련의 매우 안정적인 단일 원자 또는 소수 원자 장치의 기초를 만들었다.

NIST팀이 고안한 이 방법의 두 단계 인공 원자를 실리콘의 보호 층으로 밀봉한 다음 내부 원자와 전기적으로 접촉하는 단계)는 원자적으로 정밀한 장치의 많은 사본을 안정적으로 제조하는 데 필수적인 것으로 보인다고 NIST 연구원 리차드 실버(Richard Silver)가 말했다.

과거에는 결함을 제거하고 실리콘이 단일 원자 소자를 기존의 실리콘 칩 전기 부품과 통합하는 데 필요한 순수한 결정 구조를 갖도록 하기 위해 모든 실리콘 층이 성장함에 따라 연구자들은 일반적으로 열을 가해왔다.

그러나 NIST 과학자들은 그러한 가열이 결합된 인 원자를 제거하고 잠재적으로 원자 규모 소자의 구조를 방해할 수 있다는 것을 발견했다. 대신, 연구팀은 실온에서 처음 몇 개의 실리콘 층을 증착해 인 원자를 그대로 두었다. 후속 층이 증착 될 때만 팀은 열을 가했다.

연구진에 따르면 층을 적용하는 방법이 보다 안정적이고 정밀한 원자 규모 소자를 제공한다. 단일 원자를 제자리에 두지 않아도 단일 또는 작은 원자 군집을 특징으로 하는 전기 부품의 전도성 및 기타 특성을 변경할 수 있다.

이 팀은 또한 내부 원자와 전기적으로 접촉해 회로의 일부로 작동할 수있는 중요한 단계를 위한 새로운 기술을 개발했다. NIST 과학자들은 실리콘이 내장된 장치의 선택된 구성 요소 바로 위에 존재하는 실리콘 표면의 특정 영역에 적용된 팔라듐 금속 층을 부드럽게 가열했다. 가열된 팔라듐은 실리콘과 반응해 팔라듐 실리사이드(palladium silicide)로 불리는 전기 전도성 합금을 형성하는데, 이는 실리콘을 통해 자연적으로 침투해 인 원자와 접촉한다.

최근 ‘Advanced Functional Materials’에 게제된 연구는 이 접촉 방법이 거의 100 %의 성공률을 보인다고 밝혔다.

* “Atom‐by‐Atom Fabrication of Single and Few Dopant Quantum Devices” by Jonathan Wyrick, Xiqiao Wang, Ranjit V. Kashid, Pradeep Namboodiri, Scott W. Schmucker, Joseph A. Hagmann, Keyi Liu, Michael D. Stewart Jr., Curt A. Richter, Garnett W. Bryant and Richard M. Silver, 14 August 2019, Advanced Functional Materials.
DOI: 10.1002/adfm.201903475