선구적인 돌파구로서 조지아공과대학(Georgia Institute of Technology)의 연구원들은 알려진 가장 강한 결합으로 서로 결합된 단일 탄소 원자 시트인 그래핀으로 만든 세계 최초의 기능성 반도체를 성공적으로 제작했다. 네이처(Nature)에 발표된 이 연구는 특히 현대 전자제품의 주된 재료인 실리콘이 컴퓨팅 속도의 증가와 장치 크기의 감소로 인해 한계에 접근함에 따라 전자제품의 미래를 위한 유망한 길을 제시한다.

이 책임을 주도하고 있는 사람은 조지아 공대 물리학과 리전트 교수인 Walter de Heer이다. 그는 조지아 주 애틀랜타와 중국 텐진에 기반을 둔 팀을 이끌었다. 팀의 성과는 실리콘에 대한 실행 가능한 대안을 위한 중요한 요구 사항인 기존의 마이크로 전자공학 처리 방법과 호환되는 그래핀 반도체를 만드는 데 중점을 두고 있다.

"밴드 갭"으로 알려진 그래핀 연구의 중추적인 과제는 상당한 장애물을 제기했다. 이러한 필수적인 전자 특성을 통해 반도체는 전자 장치의 기본 측면인 스위치를 켜고 끌 수 있다. 이전에는 그래핀에 밴드 갭이 부족하여 전자 제품의 생존 가능성이 저해되었다. 그러나 팀의 10년에 걸친 노력의 결과, 실리콘보다 10배 더 높은 이동성을 나타내고 실리콘에는 없는 독특한 특성을 갖는 매우 견고한 그래핀 반도체가 탄생했다.

De Heer와 그의 팀은 특수 용해로를 사용하여 탄화규소 웨이퍼에 그래핀을 성장시켜 탄화규소의 결정면에 부착된 단일 층인 에피택셜 그래핀을 생성함으로써 획기적인 발전을 이루었다. 적절하게 제조되면 에피택셜 그래핀은 탄화규소에 화학적으로 결합하여 반도체 특성을 나타낸다.

향후 10년 동안 세심한 개선을 통해 팀은 중국 천진대학교의 천진 국제 나노입자 및 나노시스템 센터와 협력했다. 그래핀 반도체는 현재 개발 중인 다른 2차원 반도체보다 성능이 뛰어나며, 이동도도 실리콘보다 10배 이상 높다. 이러한 향상된 이동성은 낮은 저항의 전자 이동을 촉진하여 더 빠른 컴퓨팅으로 이어진다. 이는 자갈길에 비해 고속도로에서 운전하는 것과 같은 효율성이다.

연구팀은 도핑(doping)이라는 기술을 사용해 그래핀의 특성을 손상시키지 않으면서 원자를 도입해 그래핀에 전자를 공여함으로써 반도체로서의 기능성을 입증했다. 이 획기적인 제품은 현재 나노전자공학에 필요한 특성을 갖춘 유일한 2차원 반도체이다.

De Heer는 양자 컴퓨팅에서의 잠재적 응용을 포함하여 재료의 고유한 특성을 활용하는 그래핀 기반 기술을 통해 전자 제품의 패러다임 전환을 구상하고 있다. 그는 역사적인 평행선을 그리면서 이 성과를 '라이트 형제의 순간'에 비유하면서 역사적으로 전자 기술의 발전을 주도해 온 끊임없는 혁신 추구를 강조했다.

작성자: Impact Lab