2차원 소재 그래핀 기반 반도체 구현 첫 성공

미 연구진, 실리콘카바이드 웨이퍼에 그래핀 층 성장···반도체 밴드갭 특성 구현

2차원 그래핀 소재로 반도체를 구현하는데 성공했다. 그래핀을 활용해 빠르고 가벼운 새 반도체 패러다임을 열 수 있으리란 기대다.

미국 조지아공대 연구진의 이 연구 결과는 학술지 '네이처'에 3일(현지시간) 실렸다.

그래핀은 육각형의 벌집 모양으로 배열된 탄소 원자 1개층으로 이뤄진 물질로, 얇고 가벼우며 전도성과 강도가 높아 신소재로 주목받는다. 하지만 에너지를 받는 등 특정 조건에서 전자가 이동하는 밴드갭 특성이 없어 반도체로 쓰이진 못 했다.

조지아공대 연구진이 자체 개발한 퍼너스 앞에서 그래핀 반도체 칩을 들어보이고 있다. (사진=조지아공대)

연구진은 10년 이상의 연구를 거쳐 실리콘 카바이드 웨이퍼에 그래핀 층을 성장시켜 반도체 특성을 나타내게 하는데 성공했다. 자체 개발한 퍼너스(爐)와 도핑 기법을 활용, 그래핀 층이 성장한 에픽택셜 웨이퍼를 만들고 이것이 반도체 특성을 보임을 확인했다.

이 그래핀 반도체는 0.6eV의 밴드갭을 가지며, 기존 실리콘 반도체보다 10배 가량 높은 전자 이동도를 보였다. 다른 2차원 반도체 소재에 비해선 20배 높았다. 현재 나노 전자 구현에 필요한 특성을 모두 갖는 유일한 2차원 반도체라고 연구진은 밝혔다.

기존 실리콘 기반 반도체 공정을 활용해 제작할 수 있다는 것도 장점이다.

이번 성과가 그래핀 기반의 새 반도체 및 전자공학 패러다임을 열 첫 걸음이 될 것으로 연구진은 기대했다. 현재 실리콘 반도체는 2나노 이하 미세공정에 진입하면서 발열과 전자 누출 등의 문제로 발전 한계에 부딪힌 상황이다.

월터 드 히어 조지아공대 교수는 "이 그래핀 반도체는 매우 안정적이며 전자 이동성도 실리콘보다 10배 높다"라며 "이에 더해 기존 실리콘이 갖지 못한 특성들도 가져 새로운 활용 가능성이 높다"라고 말했다.

그래핀 반도체 제작 과정 (자료=네이처)