그래핀(Graphene)으로 만든 기능성 반도체가 최초로 개발됐다.
미국 조지아공대(Georgia Tech) 물리학과 월터 드 히어 교수팀은 탄화규소(Silicon Carbide) 웨이퍼에 성장시킨 에피택셜 그래핀(Epitaxial Graphene)으로 기능성 반도체를 만드는데 성공했다.
그래핀 반도체는 실리콘 반도체보다 더 작고 빠른 장치를 만들 수 있으며 양자 컴퓨터에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
그래핀은 강철보다 강하면서 구리 대비 100배 이상 전기가 잘 통하고 실리콘보다 전자를 100배 이상 빠르게 이동시키는 전기적 특성을 보유해 꿈의 신소재로 평가되나 자연 상태에서는 반금속이어서 전자 소자로 제작하는데 한계가 있었다.
트랜지스터와 실리콘 반도체는 모두 밴드 갭을 이용해 작동하나 그래핀에는 전기장을 이용해 켜고 끌 수 있는 밴드 갭(Band Gap)이라는 전자적 특성이 없기 때문이다.
연구팀은 특수로(Special Furnaces)를 사용해 탄화규소 웨이퍼 표면에 에피택셜 그래핀을 성장시키는 방법으로 밴드 갭 문제에 대한 해결의 실마리를 찾았다.
에피택셜 그래핀이 제대로 만들어지면 탄화규소와 화학적으로 결합해 반도체 특성이 나타남을 확인했으며 연구팀이 반도체를 제작해 측정한 결과 실리콘 대비 전자 이동성이 10배 이상 높은 것으로 나타났다.
연구팀은 그래핀 반도체가 현재 나노 전자공학에서 사용하기 위한 모든 특성을 갖춘 유일한 2차원 반도체이며 개발 중인 모든 2차원 반도체보다 훨씬 뛰어난 전기적 특성을 가진 것으로 평가했다.
실리콘이 점점 더 빨라지는 컴퓨팅 속도와 전자기기의 극단적 소형화 속에 한계에 직면하고 있다는 점에서 그래핀 반도체는 실리콘을 대체하고, 특히 에피택셜 그래핀은 그래핀 고유 특성을 이용해 양자 컴퓨터의 필수 요건인 전자의 양자역학적 파동 특성을 활용할 수 있게 해주어 전자 분야에서 패러다임 전환을 일으킬 것으로 기대되고 있다.
공동 저자인 레이 마 중국 톈진(Tianjin)대학교 글로벌 나노입자·나노시스템 센터 소장은 “그래핀 전자공학의 오랜 문제점인 밴드 갭을 해결한 것”이라며 “그래핀 기반 전자 장치를 구현하기 위한 중요한 진전”이라고 강조했다. (윤)