미국 조지아 공대 연구팀이 그래핀을 이용해 새로운 반도체 소재를 개발했다. 이 소재는 기존 실리콘 반도체의 한계를 뛰어넘는 뛰어난 성능을 가지고 있어, 차세대 반도체로 주목받고 있다.

 

미국 IT 전문지인 톰스하드웨어(tom'sHARDWARE)에 따르면, 조지아 연구팀은 탄화규소 웨이퍼에 그래핀을 성장시켜 에피택셜 그래핀을 만들었다. 에피택셜 그래핀은 탄화규소와 화학적으로 결합해 반도체의 특성을 보이는데, 기존 그래핀이 가지고 있던 밴드갭(Band Gap) 문제를 해결했다는 점에서 혁신적이다. 에피택셜 그래핀은 다른 물질의 표면에 그래핀 결정을 갖도록 성장시킨 것을 말한다.

 

밴드갭은 전자가 전도대에서 고체 내의 다른 에너지 준위로 이동할 수 있는 에너지 차이를 의미한다. 밴드갭이 없는 그래핀은 전류가 자유롭게 흐르기 때문에 반도체로 사용하기 어렵다.

 

연구팀이 개발한 에피택셜 그래핀은 밴드갭을 조절할 수 있어, 기존 실리콘 반도체보다 더 빠르고 효율적인 컴퓨팅을 구현할 수 있다. 또한, 양자 컴퓨팅에 필요한 전자의 양자 역학적 파동 특성을 활용할 수 있어, 양자 컴퓨팅의 발전에도 기여할 것으로 기대된다.

 

그래핀의 뛰어난 특성

 

그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양으로 연결된 2차원 물질로, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 강도는 강철의 200배에 달하는 등 뛰어난 전기적, 기계적 특성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 그래핀은 반도체, 센서, 광전자 등 다양한 분야에서 차세대 소재로 주목받아 왔다.

 

그러나 그래핀은 전류 흐름을 조절하기 어려운 밴드갭이 없는 것이 단점으로 지적되어 왔다. 밴드갭은 전자가 전도대에서 고체 내의 다른 에너지 준위로 이동할 수 있는 에너지 차이를 의미한다. 밴드갭이 없는 그래핀은 전류가 자유롭게 흐르기 때문에 반도체로 사용하기 어렵다.

에피택셜 그래핀의 의미

 

이번 연구에서 조지아대 연구팀은 특수 용광로를 이용해 탄화규소 웨이퍼 표면에 에피택셜 그래핀을 성장시켜 밴드갭 문제를 해결했다. 에피택셜 그래핀은 다른 물질의 표면에 그래핀 결정을 갖도록 성장시킨 것을 말한다. 에피택셜 그래핀이 제대로 만들어지면 탄화규소와 화학적으로 결합해 반도체의 특성을 보인다.

 

연구팀은 에피택셜 그래핀으로 반도체를 제작한 결과, 실리콘보다 전자 이동성이 10~20배 높은 것으로 나타났다. 이는 그래핀 반도체가 기존 실리콘 반도체보다 더 빠르고 효율적인 컴퓨팅을 구현할 수 있음을 의미한다.

 

또한, 연구팀은 에피택셜 그래핀이 양자 컴퓨팅에 필요한 전자의 양자 역학적 파동 특성을 활용할 수 있다고 설명했다. 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨팅보다 훨씬 빠른 연산이 가능한 차세대 컴퓨팅 기술이다.

 

이번 연구는 그래핀을 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로 만드는 데 중요한 진전을 이룬 것으로 평가받고 있다.

 

그래핀 반도체의 상용화 가능성

 

그래핀 반도체는 아직 상용화되지는 않았지만, 이번 연구를 통해 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로의 가능성을 한층 높였다는 평가를 받고 있다.

 

연구팀은 앞으로 에피택셜 그래핀의 성능을 더욱 개선하고, 대량 생산 기술을 개발하기 위해 노력할 계획이라고 밝혔다.

 

그래핀 반도체가 실질적으로 상용화되기 위해서는 대량 생산 기술의 개발이 무엇보다 중요하다. 연구팀의 노력과 더불어 관련 산업의 투자가 확대된다면, 그래핀 반도체는 머지않아 우리 생활 속에서 만나볼 수 있을 것으로 기대된다.