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최근 수십 년 동안 컴퓨팅 성능이 크게 증가한 것은 마이크로 칩에서 보다 많은 트랜지스터를 보다 좁은 공간에 집어 넣음으로써 얻어졌다. 그러나 이러한 소형화는 마이크로 프로세서 내부의 배선을 더욱 밀접하게 묶어서 부품 간 신호 누설과 같은 효과를 가져와 칩의 다른 부분 간의 통신 속도를 늦출 수 있음을 의미한다. '인터커넥트 (interconnect) 병목 현상'으로 알려진 이러한 지연은 고속 컴퓨팅 시스템에서 점차 증가하고 있다. 인터커넥트 병목 현상을 해결할 수 있는 한 가지 방법은 전기 와이어가 아닌 광을 사용하여 마이크로 칩의 다른 부분 간에 통신하는 것이다. 그러나 칩을 만드는 데 사용되는 실리콘은 쉽게 빛을 발생시키지 못하기 때문에 어렵다. 최근 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology) 저널 ('A MoTe2-based light-emitting diode and photodetector for silicon photonic integrated circuits')에 실린 논문에서 연구자들은 실리콘 CMOS 칩에 통합될 수 있는 발광기 및 검출기에 대해 보고했다. 이 장치는 몰리브덴 디텔러라이드 (molybdenum ditelluride) 라 불리는 반도체 소재로 제작되었다. 이 초박 반도체는 2 차원 전이 금속 디칼코게나이드로 알려진 새로운 물질 그룹에 속한다. 기존의 반도체와 달리 이 재료는 실리콘 웨이퍼 위에 쌓을 수 있다. 연구자들은 광전자 공학과 광통신을 온 칩으로 만들기 위해 실리콘과 호환되는 물질을 찾으려고 노력해 왔지만, 지금까지는 이것이 매우 어렵다는 것이 입증되었다. 예를 들어, 갈륨 비소는 광학에 매우 뛰어나지만 두 반도체가 양립할 수 없기 때문에 매우 쉽게 실리콘 위에 성장할 수 없다. 대조적으로, 2D 몰리브덴 디텔러라이드는 기계적으로 어떤 물질에도 부착될 수 있다. 다른 반도체를 실리콘과 통합하는 또 다른 어려움은 일반적으로 물질이 가시 범위에서 빛을 방출하지만, 이 파장의 빛은 단순히 실리콘에 흡수된다는 것이다. 몰리브덴 디텔러라이드는 실리콘에 흡수되지 않는 적외선 범위의 빛을 방출하므로 온칩 통신에 사용할 수 있다. 이 물질을 발광기로 사용하기 위해 먼저 연구진은 P-N 다이오드로 변환해야 했다. 이 다이오드는 P 측이 양의 전하를 띠고 다른 하나는 N 측이 음의 전하를 띠는 소자이다. 통상적인 반도체에서, 이는 전형적으로 물질에 화학적 불순물을 도입함으로써 수행된다. 그러나 새로운 종류의 2-D 재료를 사용하면 재료 상단에 나란히 놓인 금속 게이트 전극에 전압을 가함으로써 간단히 수행할 수 있다. 일단 다이오드가 생성되면, 연구자들은 소자를 통해 전류를 흐르게 하여 소자를 발광시킨다. 그래서 몰리브덴 디텔러라이드로 만든 다이오드를 사용하여, 실리콘 칩과 호환 다이오드 (발광 다이오드)를 조작할 수 있다. 또한 장치에 적용되는 전압의 극성을 반대로 하여 광 검출기로 작동하도록 장치를 전환할 수도 있다. 이로 인해 전류가 다시 시작될 때 빛이 비춰질 때까지 전류가 흐르지 않게 된다. 이러한 방식으로, 장치는 광 신호를 전송 및 수신을 할 수 있다. 이 장치가 개념 증명이어서 이 기술을 상용 제품으로 개발하기 전에 많은 작업을 수행해야한다. 연구원들은 현재 온-칩 광통신에 사용될 수 있는 다른 물질을 연구 중이다. 예를 들어, 대부분의 통신 시스템은 파장 1.3 또는 1.5 마이크로 미터의 빛을 사용하여 작동한다. 그러나 몰리브덴 디텔리라이드는 1.1 마이크로 미터에서 빛을 방출한다. 따라서 컴퓨터에 있는 실리콘 칩에 사용하기에 적합하지만 통신 시스템에는 적합하지 않다. 광섬유를 통한 전기 통신이 작동하는 파장 1.3 또는 1.5 마이크로 미터에서 빛을 방출할 수 있는 유사한 물질을 개발할 수 있다면 매우 바람직할 것이다. 이를 위해 연구팀은 검은 인이라고 불리는 또 다른 초박막 소재를 연구 중이며 사용된 레이어의 수를 변경하여 서로 다른 파장의 빛을 방출하도록 조정할 수 있다. 그들은 실리콘과 호환되는 상태를 유지하면서 두 개의 파장에서 빛을 방출할 수 있도록 필요한 수의 레이어가 있는 장치를 개발하기를 희망한다. 전자 신호가 아닌 광 신호를 통해 온칩 통신이 가능하다면 더 빨리 전력을 소비할 수 있을 것이다. |
