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- 탄소 기반 반도체는 실리콘보다 전자의 이동성이 10배 더 높다.
- 그래핀-실리콘 카바이드 칩에서 상당한 상업적 잠재력을 확인
- 고성능 전자 장치, 우주 여행 및 생체 의학 장치에 유용할 수 있다.

그래핀으로 만든 최초의 반도체 칩
탄소 기반 반도체는 실리콘보다 전자의 이동성이 10배 더 높다.

전자제품에 터보? 연구원들이 탄소 기반의 더 빠른 전자 장치의 기초인 그래핀으로 반도체 칩을 생산하는 데 처음으로 성공했다. 이는 그래핀 층과 실리콘 카바이드를 결합함으로써 가능해졌으며, 이는 그래핀에 반도체에 필요한 밴드 갭을 제공한다. 초기 테스트에서 들뜬 그래핀 반도체의 전하는 실리콘보다 10배 빠르게 이동했으며 일반적인 반도체 구성 요소보다 열이 덜 발생했다고 팀이 "Nature"에 보고했다. 

▲ 이러한 매우 얇은 탄화규소 조각이 그래핀 반도체 칩의 출발 물질이다. © FDominec/CC-by-sa 4.0

지금까지 실리콘은 반도체로 선택되었다. 실리콘은 거의 모든 트랜지스터와 전자 회로에서 발견되며 전하 수송을 위한 스위치 및 증폭기 역할을 한다. 모든 반도체와 마찬가지로 재료의 밴드 갭도 중요하다. 정상 상태에서 전자는 반도체에 단단히 묶여 있다. 즉, 반도체는 부도체이다. 그러나 전압, 빛 또는 열의 형태로 에너지를 추가하면 전자는 에너지 장벽, 즉 밴드 갭을 뛰어넘어 이동하게 된다.

새로운 반도체를 찾고 있다

그러나 소형화가 진행되고 컴퓨터 기술에 대한 성능 요구가 더욱 높아짐에 따라 실리콘 기반 전자 장치는 이제 한계에 도달하고 있다. 따라서 과학자들은 더욱 효율적인 대체 반도체를 찾고 있다. 이에 대한 유력한 후보는 그래핀이다. 탄소 원자로 만든 사슬 울타리와 유사한 이 물질은 투명하고 가볍고 유연하며 믿을 수 없을 정도로 안정적이지만 본질적으로 반도체는 아니다. 밴드갭이 없다.

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중국 천진대학교의 Jian Zhao가 이끄는 팀의 새로운 발전이 시작되는 곳입니다. 그들은 실용적인 반도체 칩을 생산하면서 그래핀에 누락된 밴드 갭을 줄 수 있는 방법을 찾고 있었다. 이전 실험에서는 그래핀을 좁은 띠로 절단하는 등 전자의 운동 범위를 좁힘으로써 그래핀의 전자 특성이 변경될 수 있음을 이미 보여주었다. 그러나 품질은 크게 다르다.

탄화규소로 만든 '샌드위치’

따라서 Zhao와 그의 팀은 산업 규모로 보다 쉽게 ​​이전할 수 있는 다른 방법을 찾다가 이를 발견했다. 공정의 시작점은 탄화규소(SiC)로 만들어진 두 개의 얇은 판으로, 한쪽 면은 주로 실리콘 원자로 구성되어 있고 다른 면은 탄화물의 탄소층을 바깥쪽으로 향하게 한다. 이제 이 판들은 탄소와 실리콘 면이 서로 마주보도록 서로 포개져 아르곤 분위기에서 약 1,600도까지 가열된다.

이러한 조건에서 탄소 원자는 탄화물 층에서 방출되어 반대 재료 플레이트의 실리콘 표면에 증착된다. Zhao와 그의 동료들은 “이 표면에서 성장하는 흑연 층은 그래핀의 격자 구조를 가지지만 부분적으로 탄화규소에 공유 결합되어 있다”고 설명했다. 

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그래핀에 밴드갭이 생기다
중요한 것은 이러한 결합이 그래핀의 전자적 특성을 변화시킨다는 것이다. 팀이 보고한 바와 같이 탄화규소에 결합된 그래핀 층은 약 0.6eV(전자 볼트)의 밴드 갭을 발생시킨다. 비교를 하면 에피그래프의 밴드 갭은 실리콘 밴드 갭의 약 절반이고 0.65eV에서 반도체 게르마늄의 밴드 갭에 가깝다. 이러한 밴드 갭의 결과로, 그래핀 전자는 에너지 장벽을 극복하고 이동성을 가지기 위해 에너지 공급이 필요하다. 그래핀은 반도체가 되었다.

"그러나 지난 10년 동안 우리 연구에서 가장 큰 질문은 '이 자료가 실제로 작동하기에 충분한가?'였다"고 애틀란타에 있는 조지아 공과대학의 수석 저자인 Walt de Heer는 말했다. 그 대답은 연구원들이 비문판에 전기를 가하는 초기 테스트를 통해 제공되었다.

실리콘보다 10배 더 높은 전하 이동도

결과: 실온에서 들뜬 그래핀 반도체는 초당 볼트당 5,000제곱센티미터 이상의 전하 이동도를 보여준다. 이 값은 전자와 정공이 물질을 통해 얼마나 빠르고 쉽게 이동하는지를 나타낸다. Zhao와 그의 팀이 설명했듯이 그래핀 반도체의 이동성은 실리콘의 이동도보다 10배, 다른 2차원 반도체보다 20배 더 높다. “자갈길에 비하면 고속도로와 같다”고 de Heer는 말했다.

그러나 그래핀은 실리콘등에 비해 더 많은 장점을 가지고 있다. “더 효율적이고 빠르게 가열되지 않으며 더 높은 전자 속도를 가능하게 한다”고 de Heer는 설명했다. “우리는 이제 실리콘보다 이동도가 높고 다른 독특한 특성도 갖고 있는 매우 견고한 그래핀 반도체를 갖게 되었다.” 연구원들에 따르면, 이는 전자 부품을 보다 효율적이고 빠르게 만들 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. “나에게 이것은 항공 분야의 라이트 형제와 같은 이정표다”고 de Heer는 말했다.

그러나 그래핀 기반 트랜지스터가 실용화되기까지는 그래핀 반도체 칩과 회로의 최적화가 여전히 필요하다. 그럼에도 불구하고, 연구진은 그래핀-실리콘 카바이드 칩에서 상당한 상업적 잠재력을 확인했다. 예를 들어 고성능 전자 장치, 우주 여행 및 생체 의학 장치에 유용할 수 있다.
(Nature, 2 023; doi: 10.1038/s41586-023-06811-0)
출처: Georgia Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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