1959년 벨 연구소의 과학자들은 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)를 발명했다. 이로 인해 컴퓨터 프로세서를 비롯한 광범위한 애플리케이션용 트랜지스터의 대량 생산이 가능해졌다. 최초의 상업적으로 생산된 마이크로프로세서인 Intel 4004는 1971년에 데뷔했으며 10,000nm(10μm) 제조 공정을 사용하여 단일 칩에 2,250개의 트랜지스터를 탑재했다.

그 이후로 MOSFET은 역사상 가장 널리 제조된 장치가 되었다. 소형화의 엄청난 개선 덕분에 최신 프로세서에는 이제 1,140억 개의 트랜지스터가 포함되어 Intel 4004보다 5,000만 배 더 강력하다.

그러나 이 기술은 성공의 희생양이 되고 있다. 오늘날의 트랜지스터는 상상할 수 없을 정도로 작기 때문에 많은 업계 분석가는 트랜지스터가 근본적인 물리적 한계에 접근하고 있다고 생각한다. 예를 들어, 양자 터널링은 7나노미터(nm) 이하에서 문제이며 전자를 차단하기 위한 장벽을 통해 흐르게 하는 현상이다. 이것은 오른쪽의 유령 같은 점이 터널링 전자를 나타내는 다음 GIF 애니메이션에서 볼 수 있다.

이미지 출처: Jean-Christophe BENOIST, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

연구원들은 새로운 재료와 아키텍처를 사용하여 이 문제와 다른 문제를 해결하기 위한 해결 방법을 개발해 왔다. 게이트 길이가 1nm 이하인 트랜지스터는 이미 실험실에서 달성되었다. 작년에 과학자들은 길이가 0.65nm에 불과한 장치를 만들었다.

이제 중국 칭화대학교의 팀은 단일 탄소 원자 크기인 0.34nm만큼 작은 크기의 트랜지스터 게이트를 구축했다. 그들은 이 놀라운 돌파구를 Nature 저널에 보고했다.

트랜지스터는 "소스"에서 "드레인"으로 전류를 보내 작동한다. 그 흐름은 인가된 전압에 응답하여 스위치를 켜고 끄는 게이트에 의해 제어된다. 실리콘은 앞서 언급한 양자 터널링 효과로 인해 소스에서 드레인으로 전자의 흐름을 더 이상 제어할 수 없다. 따라서 과학자들은 탄소 원자의 단일 층으로 구성된 그래핀을 비롯한 2차원 물질을 실험해 왔다. 이 새로운 연구를 위해 연구원들은 단층 그래핀 에지 게이트를 사용한 다음 두 개의 황 원자 층 사이에 끼워진 몰리브덴 원자 시트로 만들어진 이황화 몰리브덴(MoS2)과 결합했다. 이황화 몰리브덴 아래에는 전기 절연성 이산화 하프늄의 얇은 층이 있다.

이미지 출처: Wu, F., Tian, H., Shen, Y. et al. Nature 603, 259–264 (2022).

"이 접근법은 2인치 웨이퍼에 측벽 트랜지스터를 제조하기 위해 화학 기상 증착에 의해 성장된 대면적 그래핀 및 이황화몰리브덴(MoS2) 필름을 사용한다." "시뮬레이션 결과는 MoS2 측벽 유효 채널 길이가 On 상태에서 0.34 nm, Off 상태에서 4.54 nm에 접근함을 나타낸다. 이 작업은 차세대 전자 장치를 위한 트랜지스터 축소에 대한 무어의 법칙을 촉진할 수 있다."

이 장치는 아직 초기 개념 단계이다. 팀은 수천억 또는 심지어 수조 개의 트랜지스터가 완벽하게 작동하고 단일 프로세서로 결합할 수 있도록 방법을 확장할 수 있음을 보여야 한다. 대량 생산과 상업화를 고려하기도 전에 말이다. 이황화 몰리브덴과 같은 재료는 여전히 비싸고 2D로 개발하기가 어렵다.

"우리는 세계에서 가장 작은 게이트 길이의 트랜지스터를 실현했다."라고 베이징에 있는 칭화대학교의 전기 엔지니어이자 수석 연구 저자인 Tian-Ling Ren이 말했다. "다음 목표는 1비트 CPU를 만드는 것이다."

훨씬 더 많은 연구가 필요하지만 이 돌파구는 0.34nm 트랜지스터가 적어도 기술적으로 그럴듯하다는 것을 증명한다. 추가 개선 및 비용 절감으로 스마트폰, 랩톱 및 기타 소비자 전자 제품의 트랜지스터 수가 기하급수적으로 증가하는 추세는 이번 10년과 그 이후에도 계속될 수 있다. 무어의 법칙은 반대론자들에도 불구하고 다시 한번 유예를 받을 수 있다.

그러나 다음 세대는 소형화라는 측면에서 정말 극복할 수 없는 장애물에 직면할 수 있다. 결국, 트랜지스터 치수가 어떻게 단일 원자보다 작아질 수 있을까? 레이 커즈와일(Ray Kurzweil)과 같은 미래학자들은 피코테크놀로지(나노기술보다 100배 이하)가 장치 크기의 역사적 추세를 기반으로 약 50년 안에 가능할 것이라고 추측했다. 그러나 그러한 발전을 위해서는 물리학에 대한 근본적으로 새로운 이해가 필요할 것이다.