Ministry of Science and Technology(MOST) 21 Century Frontier R&D Program

Ministry of Science and Technology(MOST)

21 Century Frontier R&D Programst

전자 한 개로 신호를 처리하는 전자 한 개로 신호를 처리하는 단전자 나노기술단전자 나노기술

최 중 범

충북대 물리학과교수 / 나노과학기술연구소장

테라급 나노소자개발 사업단

과기부 금요과학터치 2007.7.13.

지능형 Home 가상현실 응용 로봇 간호사

음성 / 감성 인식 통합 단말기 지능형 자동차

10 년 후 이런 지능형 제품 뜬다

철수로부터 회의에 관한 Fax 가 왔읍니다 . 읽어 드릴까요 ?

읽지마 ! 휴가중이라 말해

테라급 정보 처리력 : 10 년 이후 필수

▶ HDTV 급 실시간 영상 인식화 : 1000 GIPS▶ 실시간 외국어 자동번역 : 100 GIPS 및 Tera 급 메모리

▶ 초저소비 전력 , Tera-bit 급 집적도 , 초고속 Transistor 필수▶ Flexible, 실시간 , Intelligent, Programmable

Peri.(Amp)

SET, CNT, CMOS Logic

Tera-Flash/MRAM/PRAM THz Cash

/RTD SRAM

Optical Interconnect

Substrate Mole-cular

HS CH2 CH2 SH

Moore's law predicts that the upper-end estimate of the human brain's processing power will be reached before 2017.

소형화 , 휴대화 , 초고 성능화 SoC (System on a chip)

세기 기원전 ~ 19 20 21정보처리

石

( 봉

( 주판 )

紙화 )

반도체

나노 소자(?)

정보전달 레이저 /Fiber

정보축적 자기 디스크

재료무기구조 유기구조 재 료 재 료

무기 기능성 재료 유기 재료

(?)

정보 매체의 시대 별 변화 추이 :adapted from Wada in Proc. IEEE Vol 89, P1147(2001)

Pro

cessor

수(

개)/

인

Device 는 환경의 일부가 되고인간은 무의식 중에 사용

인간이 의식해서Device 를 사용

여명기여명기진공관

1960 1970 1980 1990 2000 20101950

대형Computer

대형Computer

TR Office

Computer Office

Computer

IC WorkstationWorkstation

LSI PCPCVLSI 조립 컴퓨터조립 컴퓨터

System LSI

UbiquitousElectronicsUbiquitousElectronics

Ubiquitous Device

1

10-1

10-2

10-3

103

2010 년 경 인간은 100 개 정도의 Processor 를 무의식 중에 갖음

유비쿼토스 전자소자 : 2010 년 이후 필연적출처 : 동경대 생산기술연구소

875:Abacus1600:Slide

Rule

1822:multi function calculator - Babbage

1946:ENIAC-U.S.

Army

1971:-processor

Intel

2000:Pentium 4

Intel

Computer 역사

세대별 컴퓨팅 환경 변화

제 1 세대 (70 년 대 ) : Main Frame One computer/Many Person

제 2 세대 (80 년 대 이후 )

: PC One computer/One Person

제 3 세대 (2010 년 이후 ) : Ubiquitous Many computer/One Person

제 4 세대 (2020 년 이후 ) : Implantable Many computer/Allowed Person ( see; Movie “Minority Report”)

년도별 트랜지스터 평균 가격SOURCE : Dataquest/Intel, 12/02

10

1

0.1

0.01

0.001

0.0001

0.00001

0.000001

0.0000001’68 ’70 ’72 ’74 ’76 ’78 ’80 ’82 ’84 ’86 ’88 ’90 ’92 ’94 ’96 ’98 ’00 ’02

$1990 1995 200

0

DRAM 4MB 64MB

1GB

Feature Size(m)

0.8 0.35 0.15

Wafer Diameter

6” 8” 12”

Cost/MB($) 6.5 3.14 0.1

Tr. 가격 :1 M 배 하락( 현재 =100 Nano$) 29%/ 년 하락

If the automobile had followed the same development cycle as the transistor,

a Rolls-Royce would today cost $100 andget a million miles per gallon.롤스로이스 자동차의 현재가격은 100 불이며 성능은 1 갤론당 백만마일을 달릴 수 있다 .-Robert X. Cringely

자동차가 Tr. 의 발전 속도를 따랐더라면 ?

100 103 106 109 1012 1015

Switching 주파수 (Hz )

나노소자

직접회로 트랜지스터

진공관릴레이

? 1012

109

106

103

100

10-3

집적도(

디바이스/

mm2)

속도 와 집적도 측면에서 본 정보소자 : adapted from Wada in Proc. IEEE Vol 89, P1147(2001))

0.001

0.01

0.1

2000 2010 2020

micron

1

10

100

nm

45 nm65 nm

32 nm22 nm

16 nm11 nm

8 nm

Generation

LGATE

Evolutionary CMOS

Exotic Revolutionary CMOS

Si 소자 : 이미 나노 시대에 진입출처 : Mark Bohr, Intel

Reasonably

Familiar

NanotubesNanowires

ReallyDifferent

MOSFET LimitsBelow 65 nm node(above 16Gb)

열적열적 // 양자역학적 양자역학적 Perturbation: 1.5 nmPerturbation: 1.5 nm

Short channelShort channel에 의한에 의한

통계적 에러통계적 에러

RC DelayRC Delay

Electron TunnelingElectron Tunneling에 의한 누설 전류 에 의한 누설 전류

단일 기업으로 단일 기업으로 감당 못할 감당 못할 Fab. CostFab. Cost

단일 기업으로 단일 기업으로 감당 못할 감당 못할 Fab. CostFab. Cost

기술적 한계 물리적 한계 경제적 한계

MOSFET 초고집적 / 초고성능화의 기술적 / 물리적 / 경제적 한계

열 발생에 의한 열 발생에 의한 작동 불능작동 불능전자 수

2010 년 : 8 개정도2020 년 : 1 개 이내

TubesTubes Semiconductor MOS CMOSSemiconductor MOS CMOSSpintronicsSpintronics

MolectronicsMolectronics

OptoelectronicsOptoelectronics

NanoelectronicsNanoelectronics

BiosensorBiosensor

Molecularnanotechnology

Molecularnanotechnology

NEMSNEMS

The bigBang of

microelectronicsTransistor

ULSI

1950 1960 2000 2020

25 년 후 지난 50 년간의 소자 발전에 대해 Review 하게 된다면 21 세기 초반에 소자분야에서 Big Bang 이 있었음을 발견하게 될 것이다 .

MicroelectronicsMicroelectronics 의 ‘의 ‘ Big Bang’Big Bang’ 이 이 시작되다시작되다 !! !! Source : IMEC

나노소자 구현을 위한 기술 동향 점진적 (Incremental): 5-10 년 이내

: 새로운 재료 / 구조 도입 및 Top-down 나노기술 High-K, Metal Gate, Strained Si, SOI, Fin/DG, MRAM /PRAM

진화적 (Evolutionary): 10-20 년 이내 : Top-down 이 주가 되나 , 일부 Bottom-up 도입

Vertical, 3-D, SET, SEM, CNT Transistor, Spintronics(?)

혁명적 (Revolutionary): 20 년 이후 (?) : Bottom-up 과 Top-down 병행

Molecular Transistor, Qbit, DNA Electronics

Interconnection is remained a major concern for any future switching devices

Nanoscale Devices: 단전자 소자 (SET)

소자크기가 작아지면 작아질수록 전하양자효과가 전하 이동을 주도 하게 된다 .

Single-Electron Transistor (SET):the QD island is so small that Coulomb-blockade is enhanced, and only one electron at a time can tunnel through the barriers =>

1.Manipulation of single electron charge(even spin) is possble!2. Tera-bit density & Ultra-Low powerDigital electronics

Vg Vd

Source Drain

Gate

충북대 연구팀이 세계 최초로 개발한 SET-NAND 로직회로

QD island

QD island

밀리컨 유적실험 [Millikan's Oil-drop Experiment] R.A. Millikan (1909)

eE － mg = 6πηvR η 는공기의 점성도 , R 는 기름방울의 반경공기의 저항력과 평형을 이룰때 일정한 속도 v 로 움직임 , 측정

모든 물체의 전하량은 1.6 × 10-19C 의 정수배의 값을 갖는다는 것을 보임 . 전하의 최소량 e = (1.601844±0.000021)×10-19C => 전자의 전하량 ( 톰슨 )

SET 단전자 나노기술 필요한 이유는 ?

□ 2010 년 이후 Tera-bit ULS IC(<10nm/Tr): 기존의 CMOS 방식 변화 없이 테라급 집적회로 가면 => 1 조 Tr/chip회로 동작온도 => 태양의 표면온도 => 소자는 타버림Ex) 모든 모바일 이동통신기기

□ 긍극적인 해결방안 ;스위칭에 필요한 전자의 개수를 파격적으로 줄임Ex) CMOS: 128Mb DRAM----100,000e/bit SET -- 1e/bit => Ultra-Low power

□ 미국 ITRS & 유럽 MELARI Projects (2000): “SET is One of the Most Promising Alternatives

for Post -CMOS?”

Source Drain

Quantum Island

GateVsd

Vg

e-

R1, C1R2, C2

Cg

e-

CBNU Silicon NanoDevice Lab

Source DrainGate

Vsd

Vg

Cge- e-

e- e-e-

e-e-

e-e-

Source Drain

GateVsd

Vg

Cg

Channel bridge

e-e-

e-e- e-e- e-e- e-e-

Vsd

Source Drain

Quantum Island

Gate

Vg

R1, C1R2, C2

Cg

e-e-

e- e-

e-e-

기존의 FET 트랜지스터1 만개 -10 만개 전자의 동시 이동(collective transport)

SET 단전자 트랜지스터전자 1 개씩 연속적으로 이동(sequential tunneling)

트랜지스터 동작원리의 차이점

스위치 ON

스위치 OFF

단전자메모리 & 로직회로 Tera-bit Integrated, Ultra-Low power

Parallel data processing & Multi-functionality

휴먼 임플랜티드휴먼 임플랜티드& & 인공지능 칩인공지능 칩

양자컴퓨팅양자컴퓨팅 Qubit GenerationQubit Generation

& Read-Out System& Read-Out System

모바일 기기 혁명모바일 기기 혁명 나노바이오칩나노바이오칩

단전자 나노기술의 미래 산업적 파급효과

$15bn by 2015 (Gartner '05 )

초 저소비전력 &

다중 복합 스마트 기능

SET Logic

SET Memory

Ultra-Low Power, Multi-functio

nal& Tbit High density

모바일 정보기기 혁명 Mobile Innovation

Industrial Impact $15bn by 2015

(Data Quest/ Gartner '05 ) * 세계시장 규모이며 통신 및 게임용 모바일기기

포함한 시장 예측으로서 ‘ 05 년 전체 로직시장 180조이며 매년 15% 성장한다고 가정하고 2015 년

전체시장의 20% 대체 예상

TND-SET inside

통신기능CPU

D 램 /S 램메모리

D 램메모리

휴대폰 화면

미디어기능 CPU

안테나

멀티기능 휴대폰 구조

휴대폰의 핵심 CPU 및 메모리 칩 부분을 모두 SET 소자 집적회로칩으로 대체=> 소비전력 100 배 감소

매직아이 MMSP2+Navigation + DMP, PMP

초고감도 나노바이오 칩 Nano-Bio Chip1) 의료 진단2) 반도체 웨이퍼 결함 진단3) 단백질 상호작용 연구

“ Hyper-sensitive detectivity 10-7 e/Hz’’

DNAProtein

SET-installed RF Circuit

Diagnosis of charge re-distribution

RF Circuit

Industrial Impact $1bn by 2015

(Fuji-Keizai '05 )

* 세계시장 규모이며 나노바이오 센서칩 포함한 시장 예측으로서 2015 년 전체시장의 20% 대체

예상

휴먼 임플랜티드 / 인공지능 칩

테라급 집적회로 대용량 병렬처리 /

다중복합 기능초 저소비전력

SET-installed neural chip

Industrial Impact $ by 2015

* 전체 인공지능 AI Robot 시장 포함한 시장

예측으로서 핵심부품의 20% 대체 예상

반도체 양자컴퓨터

sourcedrain

e e

• Si-based double QD SET devices generate quantum bit to store spin information

큐빗생성 시스템

출력감지 시스템

Qubit generation by DQD SET

Data read out by SET

• SET Devices for read-out of the spin information

sg1 sg2

cg

Industrial Impact $ by 2015

세계 국가안보 및 금융전산망 정보보호시스템 시장 대체 예상

Substrate (S )i

SOURCE DRAIN

upper gatelower gate

n+n+Quantum Dot

S iO2

p-S i

S iO2

100nm

Amp.

detector

fres

Vt(q)

I-V

Vg

-|Vt(q)| 2

0.3K 300Kresonator

L L

C

L R

C

Cg

C C77K

반도체소자를 기반으로 최정상 반도체소자를 기반으로 최정상 NTNT 기술 비전 추진기술 비전 추진 20102010 년 반도체 분야 기술 패권을 통한 국부 창출년 반도체 분야 기술 패권을 통한 국부 창출

나노기술에 의해 2010 년 세계 최 정상급 테라급나노소자 구현

Mega Giga Tera

NanoMicro

메모리 세계 최고수준 반도체 전분야 최정상급

테라급나노소자사업단 Vision과학기술부 프론티어 21

충북대 나노과학기술연구소 (RINST)NanoDevice Lab PhD Candidates: SJ Kim, CK Lee, SJ ShinMS Candidates: SJ Choi, JH Hwang, RS Chung, JJ LeeGraduates: KS Park (Samsung), WH Lee (Hynix), BK Ahn(Hynix), JS Kang (LG-Philips), IB Baek (ETRI), SD Lee(KRISS)


Silicon Nano Device Lab

E-beam Lithography at CBNU

Column

Chamber

Ion pump

Load Lock

SEM main body Chamber

specimen

Detector Sample mount

SET Logic & Applications

5 nm


Silicon Nanowire by EBL with HSQ

Aspect ratio 30:1Resist thickness : 1500ALine width : 5 nm

Si substrate

세계 최정상의 실리콘 Top-down 나노패터닝기술World-record patterning width & aspect ratio

SET-based Flexible MV Two-input NOR Gate- IEEE-SNW 2006, June 12-15, Hawaii 2006 - The 28th ICPS, July 24-28, Vienna 2006 - SSDM 2006, Sept 12-15, Yokohama 2006

Frontier 21/ Tera-bits NanoElectronics

VIN_1

VIN_2

VOUT

FET

SET B SET A

VD

Vgg

VIN_2

VSG_B

VSG_A VIN_1

VOUT

SET/FET NOR Logic GatePhoto/SEM Pictures



SET/FET NAND Logic GatePhoto/SEM Pictures

SET-based Flexible MV Two-input NAND Gate- IEEE-SNW 2006, June 12-15, Hawaii 2006- The 28th ICPS, July 24-28, Vienna 2006- SSDM 2006, Sept 12-15, Yokohama 2006

VIN_1

VIN_2

VOUT

FET

VD

Vgg

VOUT

SET B

VIN_2

VSG_B

SET A

VSG_AVIN_1

0

10

20

0

10

20

30

0 2 4 6 8 10

0

10

VIN

1(m

V)

VIN

2(m

V)

VO

UT(m

V)

Time(sec)

세계 주요 경쟁 SET 연구그룹과의 기술 비교 / 분석- SET 논리회로기술 :한국 => two-input 회로일본 => one-input 회로

( 일 ) Tokyo Univ./ Hiramoto group one-input inverter

( 일 ) Toshiba/ Ushida group one-input inverter

( 일 ) NTT/ Inokawa & Ono group one-input literal gate

( 한 ) 충북대 /JB Choi grouptwo-input NAND & NOR

-----------------------------------




SET

M7

M1

WWL

M9

WTE

VWD

PCHE

ILOAD

M4

M5

IO

VM

M8RWL

M10M11_1

M11_2

VS

M11_3

M12

SNOUT

MSE

M2

Vdd

VddM13

M14_1 M15Out

OEbM14_2

M14_3

Output BufferM14_4

SN

<Schematic of new SETDRAM test pattern >

BL

Write driver

Iload switch

GND

WWLMSE

GNDVM

I0

GND

GNDVS

SNOUT

PCHERWLILOAD

VWDWTE

VDD

VOUT

OEB

GND

VDD

M15

M13

M14_4

M14_3

M14_1

M14_2

M4M5

M10

M9

M2

M8

M7

M1

SET M11M12

Type II: Low-Power SET-RAM : 다중메모리 , 초저소비전력

SET-FET On-chip 통합 공정 중

CBNUBMT

테라급 단전자로직회로 개발 로드맵

☞


Plan for IP & Industrialization ( 원천기술 IP 확보 및 사업화 플랜 )

현재 SET Tech 관련 30 여개의 원천기술 특허보유 및 향후 IP 확보 지속 => 2012 년 기술이전

APPENDIX

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