반도체 소자 종류 3개 – 미래의 소자 (그래핀 TMDC)

이 글에서는 반도체 소자 종류 3가지를 알아보고, 미래의 반도체 소자 종류인 그래핀, TMDC, 새로운 3D 아키텍처가 쉽게 구부리는 모양이나 방열장치, 고성능 컴퓨팅에 어떻게 사용되는지 알아봅니다.



1. 반도체란?

전기를 잘 통하는 물질을 도체 (Conductor)라고 하고, 전기가 잘 통하지 않는 물질을 부도체 (insulator) 라고 합니다. 반도체는 이 둘 사이의 중간적 성질을 띄는 물질입니다. 대표적인 물질은 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)이 있습니다. 보통 우리가 경제분야에서 얘기하는 반도체는 반도체 물질 자체 보다는 반도체 소자와 집적회로를 뜻하는 경우가 많습니다.




반도체의 학술적 분류

학술적인 용어로 얘기하면 다음과 같이 3가지로 나눌 수 있는데요. (1) 실리콘 반도체 (실리콘 원자와 단결정 격자), (2) 진성 반도체 (전자수=정공수 가 같은 반도체), (3) 불순물 반도체 이상 3가지로 나눌 수가 있습니다. 우리는 이러한 반도체를 이용하여 스마트폰, TV, 메모리, LED 등 우리가 필요로 하는 제품들을 만들어 낼 수 있습니다.

삼성 반도체 소자 종류 및 이미지


2. 반도체 소자 혹은 메모리 소자란?

반도체 소자 혹은 메모리는 우리가 컴퓨터를 통하여 정보를 빠르게 활용하고 기억할 수 있도록 해주는 장치라고 할 수 있습니다. 다음과 같이 설명을 할 수도 있습니다. “메모리는 정의된 시간동안, 그 상태의 정보를 기억할 수 있는 반도체 장치”라고 학술적으로 설명도 가능합니다.

우리가 반도체 소자를 선택할 경우에는 비용, 성능, 복잡성 및 신뢰성, 수명 등을 고려해서 선택을 보통 하게 되는데요. 반도체 소자의 선택이 어려운 이유는 새로운 기술이 개발되고 기술이 성숙되면서 빠르게 발전이 일어나기 때문입니다.


3. 반도체 소자 종류

우리가 사는 현대에는 정말 많은 반도체 소자 혹은 메모리가 있습니다. 분류할 수 있는 방법에는 몇 가지가 있는데 그 가운데 가장 일반적으로 알려져 있는 방법은 휘발성 성질과 비휘발성인 성질로 나누는 것입니다.

A. 휘발성 반도체 소자

휘발성 메모리는 RAM (Random Access Memory)이 있습니다. RAM은 전원공급을 끊으면 데이터가 손실됩니다. 따라서 휘발성이라고 부르고 있습니다. 휘발성 메모리는 다시 SRAM (Static RAM)과 DRAM (Dynamic RAM)으로 분류가 됩니다. 만약 사용하는 데이터가 대용량이라면 SRAM을 선택하는 것이 적합합니다. DRAM은 주기적으로 데이터를 리프레시 하기 때문에 데이터 제어가 쉬운 메모리가 되겠습니다.

B. 비휘발성 반도체 소자

비휘발성 메모리는 ROM (Read Only Memory)이 있습니다. 전원이 나가게 되더라도 데이터가 지워지지 않는 특징이 있는데요. 비휘발성 메모리에는 Mask ROM (제조공정에서 데이터 기록)과 PROM (Programable ROM)이 있습니다. PROM은 EPROM (Erase PROM) 과 OTP (One time PROM)로 다시 분류가 됩니다. EPROM은 지우고 다시 쓰는 것이 가능하지만, OTP는 한번만 쓸 수 있습니다. 그 외 최근 삼성전자와 sk하이닉스를 비롯한 여러 기업들이 개발하고 있는 새로운 메모리들이 많이 있습니다.

C. 플래시 메모리

플래시 메모리는 일종의 보조기억장치이며 비휘발성이지만, RAM 취급을 해주지 않는 이유는 RAM처럼 바이트 단위로 접근할 수 있는 것이 아니라, 페이지 단위로 읽고 쓰는 것이 진행되기 때문입니다. 종류로는 USB메모리, Secure Digital, SSD, eMMC, UFS 등이 있습니다. 자유롭게 재기록이 가능한 방식입니다. 플래시 메모리에 대한 이야기도 몇개의 포스팅이 나올 정도로 방대한 분야가 되어 버렸습니다.




4. 반도체 소자의 예상 발전방향

가까운 미래를 예상해보자면 반도체 시스템은 성능향상, 전력소비 감소, 더 많은 기능을 하나의 칩에 통합하는 기술의 향상이 계속해서 이루어 질 것입니다. 가장 유망한 개발 및 발전 영역가운데 하나는 기존의 실리콘 기반 장치 한계를 극복하기 위한 새로운 재료와 아키텍처를 사용하는 분야입니다.

예를 들어, 그래핀 및 전이 금속 디칼코게나이드(TMDC)와 같은 2차원(2D) 재료는 최근 몇 년 동안 상당한 주목을 받았습니다. 이러한 물질은 원자 두께의 몇 배 정도 수준으로 아주 작은 두께이기 때문에 차세대 반도체 장치에 사용할 수 있는 고유한 전자 특성을 갖습니다.

그래핀

그래핀은 뛰어난 전기 전도체이며 전자 이동도가 높은 특징이 있습니다. 이것은 잠재적으로 전자 장치의 성능을 크게 향상시키는 초고속 트랜지스터 및 상호 연결의 개발로 이어질 수 있는데요. 또한 그래핀의 높은 열전도율은 고성능 컴퓨팅 및 방열이 중요한 기타 응용 분야에서 더 나은 열 관리를 위해 활용될 수 있습니다.

TMDC

이황화 몰리브덴(MoS2)과 같은 TMDC는 반도체 특성을 나타내어 트랜지스터 및 기타 전자 부품에 사용하기에 적합한데요. 에너지 효율이 높은 디지털 논리 소자에 필수적인 그래핀보다 온/오프 전류 비율이 훨씬 높습니다. TMDC는 또한 원자적으로 얇은 구조가 성능에 영향을 주지 않고 쉽게 구부리고 모양을 만들 수 있으므로 유연한 전자 장치를 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

새로운 3D 아키텍처

연구원들은 2D 재료 외에도 수직 트랜지스터 및 모놀리식 3D 통합과 같은 새로운 3D 아키텍처를 사용하여 장치 밀도를 더욱 높이고 상호 연결 지연을 줄이는 방법을 모색하고 있습니다. 이러한 혁신은 반도체 산업에 혁명을 일으켜 미래에 더 강력하고 에너지 효율적인 전자 장치를 만들 수 있습니다.

요약하면, 반도체 소자 종류 및 장치의 미래는 현재 기술의 한계를 극복하는 새로운 재료 및 아키텍처의 채택에 의해 형성될 것입니다. 이는 성능 향상, 전력 소비 감소, 새로운 애플리케이션 및 폼 팩터의 가능성으로 이어져 궁극적으로 전자 장치의 기능을 확장할 수 있을 것입니다.

그 외에도 MRAM 및 PRAM과 같이 지난 몇년간 상당한 발전을 이루었고, 앞으로의 상용 제품으로 활용 가능성이 높아지는 메모리도 있는데요. MRAM과 PRAM에 대해서도 따로 다루어 보도록 하겠습니다.

5. 세계의 기업과 반도체 소자의 양산

PRAM은 삼성전자에서 양산을 계획하고 연구를 진행하고 있습니다. MRAM은 PTB라는 독일의 반도체 연구소에서 양산에 대해 연구를 하고 있는 중입니다. 그러나 FeRAM 처럼 기대는 컷으나 양산에는 실패를한 소자도 있기 때문에 결과는 끝까지 두고봐야 할 것 같습니다. 오늘은 반도체 소자 종류에 대하여 알아보았습니다.





6. 컴퓨터 관련 읽어볼만한 글