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

Ministry of Science and Technology(MOST) 21 Century Frontier R&D Program. st. 과기부 금요과학터치 2007.7.13. 전자 한 개로 신호를 처리하는 단전자 나노기술. 최 중 범 충북대 물리학과교수 / 나노과학기술연구소장 테라급 나노소자개발 사업단. 지능형 Home. 가상현실 응용 로봇 간호사. 지능형 자동차. 음성 / 감성 인식 통합 단말기. 10 년 후 이런 지능형 제품 뜬다. 철수로부터 회의에 관한 Fax 가

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  1. Ministry of Science and Technology(MOST) 21 Century Frontier R&D Program st 과기부 금요과학터치 2007.7.13. 전자 한 개로 신호를 처리하는 단전자 나노기술 최 중 범 충북대 물리학과교수/ 나노과학기술연구소장 테라급 나노소자개발 사업단

  2. 지능형 Home 가상현실 응용 로봇 간호사 지능형 자동차 음성/감성 인식 통합 단말기 10년 후 이런 지능형 제품 뜬다 철수로부터 회의에 관한 Fax 가 왔읍니다. 읽어 드릴까요? 읽지마!휴가 중이라 말해

  3.                  테라급 정보 처리력: 10년 이후 필수 소형화, 휴대화, 초고 성능화 SoC (System on a chip) Optical Interconnect Peri. (Amp) SET, CNT, CMOS Logic THz Cash /RTD SRAM Mole- cular Tera-Flash /MRAM/PRAM Substrate ▶ 초저소비 전력, Tera-bit급 집적도, 초고속 Transistor 필수 ▶ Flexible, 실시간, Intelligent, Programmable ▶ HDTV급 실시간 영상 인식화 : 1000 GIPS ▶ 실시간 외국어 자동번역 : 100GIPS 및 Tera급 메모리 • Moore's law predicts that the upper-end estimate of the human brain's processing power will be reachedbefore 2017.

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

  5. 103 1 10-1 10-2 10-3 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 유비쿼토스 전자소자: 2010년 이후 필연적 출처: 동경대 생산기술연구소 Ubiquitous Device Ubiquitous Electronics Device는 환경의 일부가 되고 인간은 무의식 중에 사용 System LSI 조립 컴퓨터 VLSI 인간이 의식해서 Device를 사용 PC LSI Processor 수(개)/ 인 Workstation IC Office Computer TR 대형 Computer 진공관 여명기 • 2010년 경 인간은 100개 정도의 Processor를 무의식 중에 갖음

  6. Computer 역사 1600:Slide Rule 875:Abacus 1822:multi function calculator - Babbage 1946:ENIAC-U.S. Army 1971:-processor Intel 2000:Pentium 4 Intel

  7. 세대별 컴퓨팅 환경 변화 • 제 1세대(70년 대) :Main Frame  One computer/Many Person • 제 2세대(80년 대 이후) :PC  One computer/One Person • 제 3세대(2010년 이후) :Ubiquitous  Many computer/One Person • 제 4세대(2020년 이후) :Implantable  Many computer/Allowed Person ( see; Movie “Minority Report”)

  8. 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 년도별 트랜지스터 평균 가격 SOURCE : Dataquest/Intel, 12/02 $ Tr. 가격:1 M 배 하락 (현재=100 Nano$)  29%/년 하락

  9. 자동차가 Tr.의 발전 속도를 따랐더라면? If the automobile had followed the same development cycle as the transistor, a Rolls-Royce would today cost $100 and get a million miles per gallon. 롤스로이스 자동차의 현재가격은 100불이며 성능은 1갤론당 백만마일을 달릴 수 있다. -Robert X. Cringely

  10. 속도 와 집적도 측면에서 본 정보소자: adapted from Wada in Proc. IEEE Vol 89, P1147(2001) 집적도(디바이스 1012 109 106 103 100 10-3 ? • 100 103 106 109 1012 1015 • Switching 주파수 (Hz ) / mm2 )

  11. Si 소자: 이미 나노 시대에 진입출처: Mark Bohr, Intel 0.1 100 65 nm Generation 45 nm 32 nm LGATE 22 nm 16 nm 11 nm nm micron 0.01 10 8 nm Evolutionary CMOS Revolutionary CMOS Exotic 0.001 1 2000 2010 2020 Reasonably Familiar Nanotubes Nanowires Really Different

  12. MOSFET 초고집적/초고성능화의 기술적/물리적/경제적 한계 Electron Tunneling 에 의한 누설 전류 기술적 한계 물리적 한계 경제적 한계 RC Delay 열 발생에 의한 작동 불능 MOSFET Limits Below 65 nm node(above 16Gb) 전자 수 2010년: 8 개정도 2020년: 1개 이내 Short channel 에 의한 통계적 에러 열적/양자역학적 Perturbation: 1.5 nm 단일 기업으로 감당 못할 Fab. Cost

  13. Microelectronics의 ‘Big Bang’이 시작되다!! Source : IMEC Spintronics Tubes Semiconductor MOS CMOS Molectronics The big Bang of microelectronics Optoelectronics Nanoelectronics ULSI Biosensor Transistor Molecular nanotechnology NEMS 1950 1960 2000 2020 25년 후 지난 50년간의 소자 발전에 대해Review하게 된다면 21세기 초반에 소자분야에서 Big Bang이 있었음을 발견하게 될 것이다.

  14. 나노소자 구현을 위한 기술 동향 • 점진적(Incremental): 5-10년 이내 • : 새로운 재료/구조 도입 및 Top-down 나노기술 • High-K, Metal Gate, Strained Si, SOI, Fin/DG, MRAM /PRAM • 진화적(Evolutionary): 10-20년 이내 • : Top-down 이 주가 되나, 일부 Bottom-up 도입 • Vertical, 3-D, SET, SEM, CNT Transistor, Spintronics(?) • 혁명적(Revolutionary): 20년 이후(?) • : Bottom-up과 Top-down 병행 • Molecular Transistor, Qbit, DNA Electronics  Interconnection is remained a major concern for any future switching devices

  15. Vg Vd Gate Source Drain 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 power Digital electronics QD island 충북대 연구팀이 세계 최초로 개발한 SET-NAND 로직회로

  16. 밀리컨 유적실험 [Millikan's Oil-drop Experiment] R.A. Millikan (1909) QD island  eE－mg = 6πηvR η는공기의 점성도, R는 기름방울의 반경 공기의 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)

  17. e- e- Quantum Island Source Cg Drain R2, C2 R1, C1 Gate Vsd Vg SET 단전자 나노기술 필요한 이유는? □2010년 이후 Tera-bit ULS IC(<10nm/Tr): 기존의 CMOS 방식 변화 없이 테라급 집적회로 가면=> 1조 Tr/chip 회로 동작온도=> 태양의 표면온도 => 소자는 타버림 Ex) 모든 모바일 이동통신기기 □긍극적인 해결방안; 스위칭에 필요한 전자의 개수를 파격적으로 줄임 Ex) CMOS: 128Mb DRAM----100,000e/bit SET -- 1e/bit => Ultra-Low power □미국ITRS &유럽 MELARI Projects (2000): “SET is One of the Most Promising Alternatives for Post -CMOS?” CBNU Silicon NanoDevice Lab

  18.   e- e- e- e- e- e- e- e- e- Cg Quantum Island Source Drain e- e- Gate e- e- e- Vsd e- Vg Cg R2, C2 R1, C1 Source Drain Gate Vsd Channel bridge Vg e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Cg Source Drain Gate Vsd Vg 트랜지스터 동작원리의 차이점 기존의 FET 트랜지스터 1만개-10만개 전자의 동시 이동 (collective transport) SET 단전자 트랜지스터 전자 1개씩 연속적으로 이동 (sequential tunneling) 스위치 ON 스위치 OFF

  19. 단전자 나노기술의 미래 산업적 파급효과 모바일 기기 혁명 나노바이오칩 $15bn by 2015 (Gartner '05 ) 단전자메모리 & 로직회로 Tera-bit Integrated, Ultra-Low power Parallel data processing & Multi-functionality 양자컴퓨팅 Qubit Generation & Read-Out System 휴먼 임플랜티드 & 인공지능 칩

  20. 모바일 정보기기 혁명 Mobile Innovation SET Logic TND-SET inside Ultra-Low Power, Multi-functional & Tbit High density 초 저소비전력 & 다중 복합 스마트 기능 SET Memory Industrial Impact $15bn by 2015 (Data Quest/ Gartner '05 ) * 세계시장 규모이며 통신 및 게임용 모바일기기 포함한 시장 예측으로서 ‘05년 전체 로직시장 180조이며 매년 15% 성장한다고 가정하고 2015년 전체시장의 20% 대체 예상

  21. 안테나 휴대폰 화면 통신기능CPU 미디어기능 CPU D램/S램 메모리 D램 메모리 멀티기능 휴대폰 구조 휴대폰의 핵심 CPU 및 메모리 칩 부분을 모두 SET 소자 집적 회로칩으로 대체 => 소비전력 100배 감소 

  22. 매직아이 MMSP2+ Navigation + DMP, PMP

  23. 초고감도 나노바이오 칩 Nano-Bio Chip • 의료 진단 • 반도체 웨이퍼 결함 진단 • 단백질 상호작용 연구 “ Hyper-sensitive detectivity 10-7 e/Hz’’ RF Circuit SET-installed RF Circuit Diagnosis of charge re-distribution Protein DNA Industrial Impact $1bn by 2015 (Fuji-Keizai '05 ) * 세계시장 규모이며 나노바이오 센서칩 포함한 시장 예측으로서 2015년 전체시장의 20% 대체 예상

  24. 테라급 집적회로 대용량 병렬처리/ 다중복합 기능 초 저소비전력 휴먼 임플랜티드 / 인공지능 칩 SET-installed neural chip Industrial Impact $ by 2015 * 전체 인공지능 AI Robot 시장 포함한 시장 예측으로서 핵심부품의 20% 대체 예상

  25. 반도체 양자컴퓨터 Industrial Impact $ by 2015 세계 국가안보 및 금융전산망 정보보호시스템 시장 대체 예상 • SET Devices for read-out of the spin information Data read out by SET 출력감지 시스템 • Si-based double QD SET devices generate quantum bit to store spin information cg source 큐빗생성 시스템 drain e e Qubit generation by DQD SET sg1 sg2

  26. 과학기술부 프론티어 21 테라급나노소자사업단 Vision • 반도체소자를 기반으로 최정상 NT기술 비전 추진 • 2010년 반도체 분야 기술 패권을 통한 국부 창출 나노기술에 의해 2010년 세계 최 정상급 테라급나노소자 구현 Micro Nano Mega Giga Tera 메모리 세계 최고수준 반도체 전분야 최정상급

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

  28. Column Ion pump Load Lock Chamber SET Logic & Applications E-beam Lithography at CBNU specimen Detector Sample mount Chamber SEM main body Silicon Nano Device Lab

  29. 세계 최정상의 실리콘 Top-down 나노패터닝기술 World-record patterning width & aspect ratio 5 nm Aspect ratio 30:1 Resist thickness : 1500A Line width : 5 nm Si substrate Silicon Nanowire by EBL with HSQ CBNU Silicon NanoDevice Lab

  30. 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 SET/FET NOR Logic Gate Photo/SEM Pictures Frontier 21/ Tera-bits NanoElectronics

  31. SET Logic & Applications • 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 SET/FET NAND Logic Gate Photo/SEM Pictures Frontier 21/ Tera-bits NanoElectronics

  32. 세계 주요 경쟁 SET연구그룹과의 기술 비교/분석 - SET 논리회로기술: 한국=> two-input 회로 일본=> one-input 회로 (일) NTT/ Inokawa & Ono group one-input literal gate ----------------------------------- (한) 충북대/JB Choi group two-input NAND & NOR (일) Toshiba/ Ushida group one-input inverter (일) Tokyo Univ./ Hiramoto group one-input inverter CBNU Silicon NanoDevice Lab

  33. GND VM IO GND VM VDD Vdd M7 WWL MSE WWL BL M8 M13 M8 M14_4 MSE SN Vdd RWL Out M2 M9 M14_1 M15 M1 I0 OEb M10 GND M14_3 M11_1 M14_2 M14_3 M11_2 SET GND M2 M7 M14_2 OEB M14_4 M11_3 M15 Output Buffer M1 M12 VS M14_1 M12 SNOUT VOUT GND SET M11 WTE M9 VS Write driver M13 VWD M4 PCHE M10 VDD Iload switch SNOUT ILOAD M5 M4 <Schematic of new SETDRAM test pattern > M5 ILOAD RWL WTE VWD PCHE SET Logic & Applications Type II: Low-Power SET-RAM :다중메모리, 초저소비전력 SET-FET On-chip 통합 공정 중 BMT CBNU Frontier 21/ Tera-bits NanoElectronics

  34. Plan for IP & Industrialization ( 원천기술IP 확보 및 사업화 플랜) 테라급 단전자로직회로 개발 로드맵 ☞ 현재 SET Tech 관련 30여개의 원천기술 특허보유 및 향후 IP 확보 지속 => 2012년 기술이전 CBNU Silicon NanoDevice Lab

  35. APPENDIX

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