10년간의 연구 끝에 마침내 세계 최초의 기능성 그래핀 기반 반도체를 개발했다고 연구자들은 말합니다. 이 반도체는 양자 컴퓨팅과 기존 컴퓨팅에 도움이 될 것이며 무어의 법칙을 계속 이어갈 수 있을 것으로 기대되지만, 젠슨 황은 매우 실망스러워했습니다.
이번 달 초, 애틀랜타에 있는 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)의 연구원들은 네이처(Nature)에 논문을 발표했습니다. 이 연구에서는 탄화규소(SiC)로부터 에피그래핀을 생산하는 방법을 논의합니다. 에피그래핀으로도 알려진 반도체 에피택시 그래핀(SEC)은 실리콘보다 전자 이동성이 훨씬 더 큽니다.
Georgia Tech Regents의 물리학 교수인 Walt de Heer에 따르면 전자는 기존의 실리콘 기반 트랜지스터보다 10배 빠르게 이동할 수 있습니다. 이러한 기하급수적인 증가는 에피그래핀을 사용하는 칩이 잠재적으로 테라헤르츠 범위의 사이클에 도달할 수 있음을 의미합니다.
에피그래핀을 만드는 것은 반세기 동안 그래핀을 생산해 온 공정을 기반으로 합니다. 먼저 두 개의 SiC 칩을 흑연 도가니 안에 쌓고 구리 튜브로 감싼 아르곤 석영 튜브 안에 넣습니다. 구리 코일에 고주파 전류를 흘려 유도를 통해 흑연 도가니를 약 1시간 동안 1,000°C까지 가열합니다.
SiC 칩 표면에서 실리콘이 증발하면서 탄소로 대체되어 2차원(단일 원자) 그래핀 층을 형성합니다. 생산된 웨이퍼는 전하 중성이므로 튜브에서 제거하면 즉시 산소로 도핑됩니다. 그런 다음 진공 상태에서 그래핀을 200°C로 가열하여 산소 도핑을 방출하고 탄화규소 기판에 에피그래핀을 생성합니다.
de Heer에 따르면 이 공정은 상대적으로 저렴합니다.
“우리가 사용하는 (SiC) 칩의 가격은 약 10달러(미국)이고, 도가니는 약 1달러, 석영 튜브는 약 10달러입니다.”라고 교수는 IEEE Spectrum에 설명했습니다.
과학자들은 2008년부터 진공 상태에서 SiC를 가열하여 반도체 그래핀을 생산해 왔습니다. 그러나 측정 가능한 밴드갭이 부족하여 트랜지스터를 켜고 끌 수 없습니다. De Heer와 그의 팀의 수정된 방법은 이 문제를 제거합니다.
밴드갭을 생성하려는 이전의 노력에는 그래핀 나노리본 또는 나노튜브를 사용하여 기판을 수정하는 것이 포함되었습니다. 이러한 방법은 기판에 리본을 증착할 때 높은 정밀도가 필요하기 때문에 성공적인 결과를 얻지 못했습니다.
“그래핀 나노리본으로 어느 정도 성공을 거두었지만 원칙적으로 이 기술은 30년 간의 나노튜브 연구 이후 성공하지 못한 반도체 탄소 나노튜브 기술과 매우 유사합니다”라고 de Heer는 말했습니다.
연구자들은 그래핀을 변형(주름)시켜 밴드갭을 만드는 데 더 많은 성공을 거두었습니다. 그러나 이것은 단지 0.2 전자 볼트의 밴드갭을 생성하는데, 이는 너무 작아서 실용적이지 않다고 de Heer는 말합니다. 이에 비해 실리콘의 밴드갭은 1.12eV입니다. Georgia Tech의 방법은 더 낮은 온도에서 작동하는 동안 로직 스위칭에 충분한 0.6eV의 밴드갭을 생성합니다.
“우리의 연구는 결함이 없고 원자적으로 평평한 SiC 테라스에서 반도체 SEC의 넓은 영역을 생산했기 때문에 이러한 다른 접근 방식과 구별됩니다.”라고 de Heer는 말했습니다. “SiC는 기존의 마이크로 전자공학 처리 방법과 완벽하게 호환되는 고도로 개발되고 쉽게 이용 가능한 전자 재료입니다.”
과학이 기능적이고 이동성이 뛰어난 반도체 에피택셜 그래핀을 성공적으로 생산했지만, 양자 또는 일반 컴퓨터의 SEC 프로세서는 여전히 먼 비전입니다. 우선, de Heer는 그것이 현대 양자 컴퓨터에 사용되는 초전도체보다 더 적합한지 결정하기 위해서는 추가 연구가 필요하다고 말했습니다.
실리콘 컴퓨팅의 경우 팀은 SEC가 저항이 훨씬 낮은 우수한 반도체라는 것을 이미 알고 있습니다. 따라서 더 빠른 속도와 더 낮은 작동 온도를 달성할 수 있습니다. 그러나 SEC를 기존 실리콘 전자 장치에 통합하는 쉬운 방법은 없습니다. 재료가 제공하는 이점을 얻으려면 현재 제조 방식의 완전한 패러다임 전환이 필요합니다.
“저는 이 작업을 라이트 형제의 첫 100미터 비행에 비유합니다”라고 de Heer는 말합니다. “그것은 주로 그것을 개발하기 위해 얼마나 많은 작업이 이루어졌는지에 달려 있습니다.”
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원문 출처 techspot(클릭 시 원문 이동)
