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- 이전에는 존재하지 않았던 탄소, 실리콘, 게르마늄, 주석의 안정적인 합금을 개발
- 이 합금은 칩 산업의 표준 공정인 소위 CMOS 공정과 호환되며, 이는 결정적인 장점
- 이를 통해 확장 가능한 광자, 열전, 양자 공학 부품의 기반을 마련

미래 칩을 위한 새로운 반도체

율리히 연구 센터와 라이프니츠 혁신 마이크로일렉트로닉스 연구소(IHP)의 연구진은 이전에는 존재하지 않았던 탄소, 실리콘, 게르마늄, 주석의 안정적인 합금을 개발했다. CSiGeSn으로 약칭되는 이 새로운 화합물은 전자, 광자, 양자 기술의 경계면에서 응용 분야에 새로운 가능성을 열어준다. 이 합금의 특별한 점은 실리콘과 마찬가지로 네 가지 원소 모두 주기율표의 4족에 속한다는 것. 따라서 이 합금은 칩 산업의 표준 공정인 소위 CMOS 공정과 호환되며, 이는 결정적인 장점이다. 

▲ 새로운 합금이 적용된 웨이퍼는 기존 웨이퍼와 시각적으로 구별이 불가능하다. © Forschungszentrum Jülich / Jenö Gellinek

율리히 연구 센터의 댄 부카(Dan Buca)박사는 "이 네 가지 원소를 결합함으로써, 4족에 기반한 최고의 반도체라는 오랜 숙원을 달성했다"고 설명했다. 이 새로운 합금은 광학 부품이나 양자 회로와 같이 순수 실리콘으로는 구현할 수 없는 특성의 미세 조정을 가능하게 한다. 구조는 제조 과정에서 칩에 직접 생성할 수 있다. 화학은 명확한 한계를 설정한다. 실리콘과 같은 주족에 속하는 원소만 웨이퍼의 결정 격자에 완벽하게 들어맞는다. 다른 족의 원소는 이러한 섬세한 구조를 방해한다. 이 근본적인 공정은 에피택시(Epitaxi)라고 하는데, 이는 반도체 기술의 핵심 공정으로 원자 단위의 정밀도로 기판에 얇은 층을 증착하는 것이다.

광학 및 전자 기술의 연동

댄 부카(Dan Buca)가 이끄는 연구진은 이미 실리콘, 게르마늄, 주석을 결합하여 트랜지스터, 광검출기, 레이저, LED(또는 열전 소재)를 개발하는 데 성공했다. 이제 탄소를 추가함으로써 전자 및 광자 거동에 필수적인 밴드갭을 특정하게 조절할 수 있는 가능성이 확대되었다.

댄 부카는 "실온에서도 작동하는 레이저가 한 예입니다. 실리콘 그룹의 많은 광학 응용 분야는 아직 초기 단계에 있다"며 "웨어러블 기기와 컴퓨터 칩에서 열을 전기 에너지로 변환하는 데 적합한 열전 소재 개발에 대한 새로운 가능성도 떠오르고 있다"고 설명했다.

격자 안에 결합된 반대의 것들

이 새로운 화합물의 생산은 오랫동안 거의 불가능하다고 여겨졌다. 탄소는 작고 주석은 크며, 그 결합력은 매우 다르다. 제조 공정을 정밀하게 조정해야만 AIXTRON의 산업용 CVD 시스템을 사용하여 이러한 반대되는 것들을 결합할 수 있었다. 이 장치는 특수 장치가 아니라 칩 생산에 사용되는 것과 유사한 장치였다.

▲ CGeSn/GeSn MQW 이종 구조: a) CGeSn/GeSn MQW 이종 구조의 개략적인 3D 이미지. b) 비대칭 RSM 및 (삽입 그림) 대칭 2θ-ω XRD 스캔은 진동 변연부를 보여주는데, 이는 높은 결정질과 잘 정의된 웰/장벽 계면을 나타낸다. c) SIMS 원소 깊이 스펙트럼 및 (c1) APT에 의한 C와 Sn 원소의 3D 맵은 웰 층에서만 C가 통합되었음을 나타낸다. d) 웰과 장벽 층 사이의 Sn 농도 차이를 보여주는 단면 TEM 이미지와 해당 EDX 맵. e) 반경 80µm 마이크로 디스크 LED의 온도 의존성 EL 스펙트럼. e1) 유사한 조건에서 성장한 GeSn/GeSn 및 CGeSn/GeSn MQW의 5K에서의 EL 비교. (출처:Adaptive Epitaxy of C-Si-Ge-Sn: Customizable Bulk and Quantum Structures / Advanced Materials / 11 June 2025)

결과적으로, 균일한 조성을 가진 고품질 재료가 탄생했다. 또한, 이는 네 가지 원소로 구성된 소위 양자 우물 구조에 기반한 최초의 발광 다이오드로 이어졌으며, 이는 새로운 광전자 부품으로 나아가는 중요한 발걸음이었다.

"이 재료는 조정 가능한 광학 특성과 실리콘 호환성이라는 이전에는 볼 수 없었던 독특한 조합을 제공한다"고 댄 부카와 10년 이상 새로운 IV족 반도체의 응용 가능성을 연구해 온 IHP의 조반니 카펠리니(Giovanni Capellini) 교수는 말했다. "이를 통해 확장 가능한 광자, 열전, 양자 공학 부품의 기반을 마련하고 있다."

참고: Advanced Materials, 2025; doi.org/10.1002/adma.202506919
출처: Forschungszentrum Jülich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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