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반도체의 상징으로 여겨졌던 실리콘은 고집적화로 인해 물리적 한계를 드러냈다. 이를 대체할 신소재는?

반도체 디바이스의 극소화는 전자공학 진보의 상징이다. 그러나 극소화의 한계에 도달한 지금 보다 고밀도 고속의 디바이스를 추구하는 방법이 다양하게 모색되고 있다. 또한 기록장치도 종래의 자성재료를 대체하는 자기광학디스크의 개발도 진행되고 있다.
 

집적회로의 회로선폭은 1960년에 30미크론(1미크론은 1천분의1㎜)이었지만 현재는 1미크론(인간 머리카락 굵기의 약75분의 1)에 달하고 있다. 1990년대 중반에 가면 0.1미크론에 까지 도달할것으로 예측되고 있다. 실리콘웨이퍼에 미세한 회로패턴을 인각시키는 기술은 물리적인 한계에 가까와지고 있는 것이다.
 

새로운 방법이란 무엇일까?
 

그 하나는 현재 '단층건물'인 회로를 '고층건축'화 하는 것이다. 디바이스의 3차원화이다. 또한 고속으로 작동하는 트랜지스터를 만들기 위해 실리콘에 대체하는 비소화갈륨(GaAs)이라는 화합물반도체를 사용하는 방법이 실용화되고 있다. 더우기 고속트랜지스터로서 HEMT(고전자이동도트랜지스터)라는 새로운 소자가 등장하고있다.

3차원 디바이스

만약 3차원디바이스가 만들어진다면 회로소자를 더욱 고밀도로 집적시킬 수 있고 고속화도 실현시킬 수 있을 것으로 예상된다. 현재 회로동작의 대부분은 실리콘웨이퍼의 표면 가까이서 이루어지고 있고 실리콘 결정의 대부분은 기판(基板)의 역할밖에는 하지 못한다.
 

3차원 디바이스가 어느 정도 고속일 수 있을까 하는 것은 아직 명확히 예상할 수는 없지만, 연구자들은 실리콘층을 중층구조화 하여 수직방향에도 회로를 구성하는 가능성을 탐구하고 있다.
 

이렇게 되기 위해서는 실리콘 위에 절연체 역할을 하는 새로운 금속이나 합금층을 형성시켜야 한다. 여기에는 진공증착이나 화학증착의 기술이 이용될 것이다.
 

이러한 3차원디바이스는 저온에서 만들어지지 않으면 안된다. 어떤 종류의 층을 형성시키든지 간에 그 바로 아래층이 열이나 고에너지 입자로 손상을 받기때문이다. 이러한 3차원디바이스의 응용례는 최상층에 광센서를 형성시키고 수신한 화상신호를 밑의 층에서 처리하는 것이다.
 

물론 디바이스를 고속으로 동작시키기 위해서는 전자를 빨리 움직이게 하여 디바이스 본래의 스위칭속도를 빠르게 하는 방법이 좋다. 단결정의 실리콘을 대신하여 화합물반도체인 비소화갈륨을 사용한다면 이점에서 매우 우수한 기능을 나타낼것이다. 그 이유는 양자역학적 고찰로서만이 가능하다.
 

이론가의 예측에 의하면, 비소화갈륨트랜지스터를 만든다면 실리콘트랜지스터의 2~5배의 스위칭 속도를 얻을 수 있다는 것. 이와같은 트랜지스터는 고속 고능력의 컴퓨터부품으로 사용될 것이다. 또한 고주파의 통신신호를 증폭하는데도 유용하게 사용될 것이다.
 

비소화갈륨은 주기율표 상의 Ⅲ족과 Ⅴ족의 어떤 원소를 여러가지 비율로 화합하여 새로운 물질을 만든다면 특정 용도의 디바이스에 부합되는 전기적 혹은 광학적성질을 갖는 화합물반도체를 만들 수 있다.
 

화합물반도체는 새로운 디바이스의 요소로서 역할을 할 것이 분명하지만 서로다른 원소를 화합한 신재료를 사용했을때 생기는 문제도 있다. 갈륨은 3개, 비소는 5개의 가전자를 갖고 있어 양자의 전기적화학적성질은 근본적으로 다르기 때문이다. 화합물반도체의 표면특성을 결정하기가 어렵고, 결정결함이 전혀없는 비소화갈륨기판을 만드는 것도 쉽지않다. 이상의 문제가 모두 해결된 후라야 디바이스를 집적화하는 작업이 가능한 것이다.
 

이밖에도 전자의 이동속도를 빠르게하는 방법으로 '벨리스틱'(Ballistic, 탄도)트랜지스터, HEMT(고전자이동도 트랜지스터)디바이스등의 연구도 진행되고 있다.
 

한편 미래기술로 불리는 '바이오칩'은 꽤 일반적으로 알려져 있지만, 이 언어의 정확한 의미조차 정의되어 있지 않다.
 

'바이오칩'은 유기분자(탄소를 포함한 분자)와 생체분자를 사용하여 칩을 만든다는 것을 의미할뿐 아니라 생체기관과 유사한 기능을 가진 칩이라는 개념을 포함하고 있다. 아뭏든 어느 정의에 따르더라도 현재까지 실용화된 것은 없다.

새로운 자기(磁氣)기록

일렉트로닉스산업의 성장에는 자성(磁性)재료가 커다란 역할을 했다. 퍼스널 컴퓨터로부터 메인프레임에 이르기까지 정보를 축적시켜 가는 가장 우월한 방법은 자기기록이었다.
 

산화철로 표면을 덮은 직경 14인치의 가벼운 알루미늄원반이 자기디스크이다. 이 디스크는 축을 중심으로 매분 3천회전 한다. 이 회전속도는 시속 1백60㎞의 선속도에 해당된다. 디스크가 회전하고 있는 사이에 데이타를 읽어 저장하는 헤드(head)가 작동한다. 헤드는 자심(보통 철과 니켈의 합금)주위에 선을 두른 코일로 구성돼 있다.
 

헤드코일에 전류를 흐르게 하면 데이타를 디스크상에 기록하는 것이 가능하다. 전류는 코일에 자계(磁界)를 발생시켜 이것이 디스크 표면의 산화철의 특정 부분을 자화시킨다. 이것이 바로 정보의 기억이다. 이 과정의 역이 기억된 정보를 검출하는 과정이 된다.
 

정보를 기억시키고 검출하는 과정은 이처럼 간단한 원리에 기초하고 있지만, 비트밀도가 증가할수록 1비트당 자계는 적어져 이를 검출하는 방법이 쉽지가 않다. 특히 헤드와 디스크의 간격이 작으면 작을수록 양자가 충돌하여 훼손될 확률이 커진다. 충돌과 마찰에 의한 훼손을 줄이기위해 디스크 표면에 윤활제를 바르지만 이는 근본적인 해결책이 아니다.
 

자계에 민감한 헤드를 만들기 위해 연구자들은 최근 반도체칩 기술에 사용되고 있는 재료와 수법을 이용하고 있다. 예를들어 IBM에서는 자심을 둘러싼 코일 대신에, 실리콘기판의 표면에 박막의 도체를 입힌것을 사용한 헤드를 제안하였다. 이 헤드는 현재 IBM3370형 디스크메모리의 부품으로 사용되고 있다. 이는 1인치당 1만5천비트의 정보를 기록하는 것이 가능하다.
 

최종적으로 헤드를 완전히 없애는 것이다. 이는 자성체이면서 광학적성질을 갖는 자기광학재료를 사용하는 방법이다. 과거 20년간 수많은 자기광학재료가 연구돼 왔다. 이중에서 유망한 것은 가돌리늄 테르비늄(Tb)과 같은 희토류(希土類) 원소와 철 코발트와 같은 천이(遷移) 원소로 부터 나오는 비정질의 합금박막이다.
 

자기광학디스크에 정보를 입력시키기 위해서는 자계를 형성하는 것과 동시에 디스크 상의 한점에 레이저빛의 펄스를 쪼이는 것이다. 레이저빛은 이 점을 가열시키고 자계가 이곳을 자화한다. 이렇게 되면 헤드 없이도 자기디스크에 비해 어마어마한 양의 정보를 기억시킬 수 있고 또한 검출할 수 있는 것이다.