美國 조지아工大, '밴드갭' 觀察 그래핀 半導體 첫 開發…汎用 半導體 活用 '未知數'
실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 성장시켜 만든 機能性 그래핀 半導體. 美國 조지아工大 提供
熱과 電氣를 傳達하는 傳導性이 뛰어나 '꿈의 所在'로 불리며 次世代 半導體 素材로 여겨지는 그래핀을 土臺로 한 機能性 半導體가 첫 具現됐다.
'그래핀 半導體'는 理論的으로 旣存 실리콘 半導體보다 處理速度가 最大 142倍 빠를 것으로 期待됐다. 問題는 半導體 具現에 필요한 電子的 特性인 '밴드갭'을 갖지 못해 그間 開發이 이뤄지지 못했다는 點이다.
이番 硏究에선 只今까지 그래핀에서 觀察됐던 것 中 가장 큰 값의 밴드갭을 觀察하는 데 成功했다. 다만 國內 專門家들은 이番 硏究 結果가 그래핀 本然의 特性을 熱化시킨 狀態에서 나온 만큼 實際로 '그래핀 半導體' 開發로 이어질지에 對해선 線을 그었다.
월터 드 美國 조지아工大 敎授 硏究팀은 炭化硅素 웨이퍼 床에 여러 層의 그래핀을 올려 機能性 半導體를 開發한 硏究 結果를 3日(現地時間) 國際學術誌 '네이처'에 發表했다.
그래핀은 炭素 原子가 六角形 벌집 模樣의 結晶 構造로 結合해 0.2나노미터(10億分의 1미터, nm)로 이뤄진 膜으로 된 物質이다. 사람이 人工的으로 만든 物質 中에 가장 얇은 두께를 가졌다. 數 나노미터 單位의 工程이 可能하기 때문에 半導體 素子 小形化의 旣存 限界를 突破할 素材로 꼽힌다. 여기에 電子 移動 速度도 旣存 半導體 素材인 실리콘보다 100倍 以上 빠르며 電氣傳導率은 구리의 100倍에 達하는 特性까지 지니며 '꿈의 소재'로 注目받았다.
問題는 그래핀에 半導體의 가장 重要한 性質인 밴드갭이 存在하지 않는다는 것이다. 電子들이 모여 있는 部分과 電子들이 全혀 없는 部分 사이에서 一種의 障壁으로 이뤄진 空間인 밴드갭은 自由電子들이 돌아다니면서 電氣가 통하게 한다. 밴드갭이 없으면 恒常 電氣가 통하는 傳導體가 되고 밴드갭이 너무 크면 電氣가 통하지 않는 不導體가 된다. 電氣가 어떨 때는 통하고 어떨 때는 통하지 않는 半導體가 되기 위해선 適當한 밴드갭이 必要하다.
硏究팀은 특수하게 製作된 半導體 웨이퍼 加熱 裝備를 使用해 炭化硅素(실리콘 카바이드) 웨이퍼 表面에 에피택셜 그래핀을 성장시켰다. 에피택셜 그래핀은 炭化硅素 床에서 2~10層의 그래핀을 올린 것을 意味한다.
이렇게 製作된 그래핀 基盤 半導體가 實際로 기능할 수 있는지 알아보기 위해 硏究팀은 實驗을 進行했다. 그래핀 위에 電氣를 傳達하는 原子를 올려 良質의 傳導體인지 確認했다. 그 結果 旣存 실리콘 半導體보다 10倍 以上 높은 電子 移動度가 確認됐다. 前者에 加해지는 抵抗이 낮아 半導體 作動 速度가 훨씬 빨라질 수 있다는 說明이다. 또 0.6전자볼트(eV)의 밴드갭이 觀察됐다. 이는 只今까지 그래핀에서 觀察된 밴드갭 中 가장 큰 값이다.
硏究팀은 이番 硏究에서 開發한 그래핀 半導體에 對해 "現在 나노 電子工學에서 使用되는 데 必要한 모든 特性을 갖춘 唯一한 2次元 半導體"라고 말했다.
一部 專門家들은 이番 硏究가 매우 制限的인 條件에서 이뤄졌기 때문에 實際 汎用 半導體 開發로 이어질지는 未知數라고 말했다. 이番에 硏究에선 실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 올렸는데 이러한 構造에선 安定性과 性能이 低下되는 問題가 發生할 수 있다는 說明이다.
李秉勳 포스텍 半導體工學科 敎授는 "실리콘 카바이드 위에 그래핀을 올리면 一種의 接着面이 생기게 되는데 이렇게 되면 構造에 産卵이 發生하며 全體 性能이 떨어질 수 밖에 없다"고 說明했다.
밴드갭이 觀察된 時點의 그래핀이 熱處理 過程을 거치면서 宏壯히 熱火된 狀態인 點도 꼬집었다. 李 敎授는 "쉽게 말해 그래핀이 '조각조각 찢겨나간 狀態'로 正常的인 良質의 狀態가 아니다"라고 짚었다. 그는 "只今까지 中 가장 높은 밴드갭 값이 觀察된 것은 科學的으로 매우 흥미롭지만 當場 效用性을 가진 半導體 開發의 端緖라고 보기에는 어렵다"고 이番 硏究를 評價했다.
