“포스트 무어 시대에는 그래핀을 버리라.” 중국과학원 학자이자 베이징 그래핀연구소 소장인 류중판(Liu Zhongfan)이 2년 전 한 말이다. 2021년 '글로벌 IEEE(전기전자공학회) 국제 칩 와이어 기술 컨퍼런스'에서 차세대 신반도체로 자리매김한 소재인 '신소재의 왕' 그래핀이 적지 않은 화제를 불러일으켰다.

 

하지만 당시에는 그래핀 전기히터, 그래핀 화장품, 그래핀 속옷까지 다양한 컨셉이 난무했고, 과거 나노워터, 광촉매, 음이온 공기청정기처럼 사람들은 한때 그래핀 제품을 '그래핀 제품'이라고 생각하기도 했습니다. 모두 "거짓말". 그래핀은 오랫동안 마케팅에 의해 "잘못 활용"되어 왔다고 말할 수 있습니다.

 

그리고 더 중요한 것은 작년까지 그래핀에는 "밴드 갭"이 없었으며, 밴드 갭이 0이라는 것은 그래핀이 전도체라는 것을 의미합니다. 즉, 예전에는 그래핀이 반도체와 전자공학의 혁명을 촉발한 것은 물론, 반도체를 켜고 끌 수 있는 기능조차 없었으며, 이 문제는 수십 년 동안 고착되어 왔다.

 

그렇다면 이전까지 학계에서 '주창'되었던 그래핀 웨이퍼는 무엇일까? 당시 대부분의 소위 '그래핀 소재'는 탄소 함량이 60%를 넘지 않았는데, 이는 그래핀 소재의 40% 이상이 탄소도 아니라는 의미였다.

 

그러나 최근에는 마침내 이 문제가 해결될 수 있다는 희망이 생겨 마침내 그래핀으로 만든 기능성 반도체가 탄생하게 되었습니다.

 

푸빈 ｜ 저자

전자공학세계(ID: EEworldbbs)｜제작자

 

전자제품이 새로운 문을 열다 

 

최근 조지아 공과대학 월터 드 히어(Walter de Heer) 교수와 텐진대학교 말리(Marley) 교수팀이 그래핀으로 만든 세계 최초의 기능성 반도체(Functional Graphene Semiconductor)를 만들었습니다.

 

연구팀은 특수 용해로를 사용해 탄화규소(SiC) 웨이퍼 위에 그래핀을 성장시키는 획기적인 성과를 거뒀다. 그들은 탄화규소 결정 평면에서 성장한 단일 층인 에피택시 그래핀을 생산했습니다. 이 연구는 올바르게 만들어지면 에피택셜 그래핀이 탄화규소에 화학적으로 결합하여 반도체 특성을 나타내기 시작한다는 사실을 발견했습니다. 이 획기적인 발전은 완전히 새로운 전자 제품 개발의 문을 열어줍니다. 이번 연구는 네이처 저널에 게재됐다.

 

연구진에 따르면, 그들은 그래핀의 세 가지 특별한 특성을 전자 제품에 도입하여 매우 큰 전류를 처리하고 더 높은 효율을 얻으면서 동시에 온도가 터무니없는 수준으로 상승하지 않기를 원합니다.

 

 

그래핀은 단층 흑연으로, 탄소 원자가 sp2 혼성 오비탈을 갖는 육각형 모양으로 배열되어 벌집형 결정 격자로 배열된 단층 2차원 결정체이다. 초박형(1mm 두께의 편상 흑연 = 그래핀 300만 개), 초경량(동물의 털은 붉은 대추알 크기의 그래핀 에어로겔을 지탱할 수 있음), 초강력(완벽한 그래핀 필름을 만든다) 플라스틱 랩 커버 컵을 깨뜨리려면 코끼리가 컵 위에 앉아야 합니다.)

 

그래핀은 현재 개발 중인 다른 2차원 반도체의 전기적 특성을 훨씬 능가하는 전기적 특성을 지닌 2차원 재료의 천재입니다. 높은 전하운반자 이동도(15000c㎡/V·S), 양극성 전계효과, 높은 열전도도(3000W/m·k), 우수한 전기적·기계적 특성 등의 특성을 갖고 있다. 우수한 특성으로 인해 그래핀은 나노리본 트랜지스터, 가스 센서, 슈퍼커패시터 및 투명 전도성 전극과 같은 다양한 분야에 응용 가능성이 높습니다.

 

그래핀 반도체 핵심 이슈 해결

 

그래핀 전자공학의 오랜 문제는 그래핀이 올바른 밴드 갭을 갖지 않는다는 것입니다.완전한 구조를 가진 고유 그래핀은 밴드 갭이 0이고 금속처럼 보입니다. 특별한 주름진 원자가 밴드와 전도 밴드는 실제로 서로 연결되어 있으며 올바른 비율로 전환되지 않습니다. 모든 트랜지스터와 실리콘 전자 장치가 작동하려면 밴드 갭이 필요하며, 수년에 걸쳐 많은 사람들이 이 문제를 다양한 방법으로 해결하려고 노력해 왔습니다.

 

과학자들은 그래핀을 리본과 같은 이상한 모양으로 만들어 밴드갭을 얻었고, 양자 구속이나 화학적 기능화를 통해 밴드갭을 변경하기도 했습니다. 그러나 이 결과가 발표되기 전에는 실행 가능한 반도체 그래핀이 성공적으로 생산되지 않았으며, 작동하기가 너무 어렵거나 너무 작거나(예: 100meV 정도) 전자공학 응용에 적용하기에는 여전히 너무 작습니다.

 

그래핀 반도체의 밴드갭 문제에 관한 연구, 표 작성 | 전자공학세계

 

이번 성과는 밴드갭 문제를 해결한 것으로, 특정 탄화규소 결정 표면에 그래핀을 어닐링함으로써 그래핀이 실리콘처럼 작동할 수 있다는 점은 그래핀 기반 전자제품을 구현하는 핵심 단계이자 그래핀의 탁월한 능력을 활용할 수 있는 방법을 제시한 것이다. 기술의 새로운 시대가 길을 열었습니다. 동시에 그들의 연구는 양자 컴퓨팅을 더욱 실현할 수 있습니다.

 

연구팀은 단결정 탄화규소 기판 위의 SEG(Semiconducting Epigraphene)가 0.6eV의 밴드갭과 5500c㎡/V·S의 상온 전자 이동도(초록에 표시: 5000c 이상)를 가짐을 입증했다고 밝혔습니다. 2023년 2월 초판 논문의 ㎡/V·S)는 4000c㎡/V·S)로, 이는 실리콘보다 3배, 다른 2차원 반도체보다 20배 높은 수치이다.

 

참고: 에피그래핀은 실리콘이 고온에서 표면에서 승화될 때 탄화규소 결정에 자발적으로 형성되어 탄소가 풍부한 표면이 그래핀으로 재결정화되는 그래핀을 의미합니다.

 

동시에 SEG-on-SiC로 제조된 프로토타입 FET의 온-오프 비율은 10^4에 도달할 수 있으며 최적화된 장치의 온-오프 비율은 10^6입니다. (비교를 위해 현재 고성능 GaN HEMT 장치의 온-오프 비율은 2 x 10^9~1 x 10^10에 도달할 수 있습니다.)

 

이미지 출처｜네이처

 

"우리에게 이제 우리는 300피트 상공을 날 수 있는 비행기를 만들었던 과거 라이트 형제와 같습니다. 그러나 회의론자들은 '기차와 배는 이미 빠른데 왜 하늘로 솟아오르야 합니까?'라고 묻습니다. 그럼에도 불구하고 라이트 형제는 끈질기게 버텼고 우리가 연구하고 있는 그래핀 반도체도 똑같다.

 

이 준비 문제가 해결될 수 있습니까?

 

그래핀 에너지 갭 문제에 대한 해결책이 있지만, 그래핀 반도체가 산업에 실제로 적용되기 위해서는 두 번째 문제, 즉 어떻게 대규모로 생산할 것인가가 여전히 남아있다.

 

연구의 핵심은 SEG 격자가 SiC 기판과 정렬되어 있고 화학적, 기계적, 열적으로 견고하며 전통적인 반도체 제조 기술을 사용하여 패턴화할 수 있고 반금속 에피택셜 그래핀에 원활하게 연결될 수 있다는 것입니다.

 

인간의 관점에서 설명하자면 탄화규소 기판에 직접 그래핀을 성장시키는 것의 장점은 다음과 같습니다.

 

● 그래핀 전사 단계를 없애고 전사 과정에서 발생하는 그래핀 필름의 오염 및 손상을 방지합니다.

●  현재의 실리콘 공정과 호환되어 대규모 대량 생산이 가능합니다.

●  성장 온도와 그래핀 형성 속도를 모두 제어할 수 있습니다.

 

 

 

 

일반적으로 연구에서는 그래핀의 대규모 적용이 더 편리하지만 현 단계에서는 실리콘보다 훨씬 적은 대규모 적용에 여전히 큰 격차가 있으며 세 가지 주요 문제가 있습니다.

 

●  반도체 분야에서 그래핀은 CVD법으로만 제조할 수 있어 비용이 많이 들고 수율도 낮아 그래핀의 대량 생산을 어떻게 달성할 것인가가 시급한 과제이다.

●  그래핀은 2차원 평면 소재로서 심각한 양자 효과를 가지며 가장자리 상태와 결정 상태 모두 전자 구조와 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다.

●  그래핀 집적회로의 성능을 향상시키기 위해서는 그래핀의 전도성에 대한 심층적인 연구가 필요합니다.

 

위의 문제점은 업계에 반영되어 있으며 제조 비용이 많이 든다: 화학 증착을 이용하여 그래핀을 제조하는 공정은 비용이 많이 들고 대량 생산이 불가능하고, 에피택셜 성장으로 제조된 그래핀 층의 수를 정확하게 제어할 수 없으며, 기계적 박리가 어렵다. 방법은 비효율적이고 비용이 많이 들며, Hummer 방법으로 제조된 그래핀의 구조가 손상된다. 어려움은 그래핀의 박리 및 성장뿐만 아니라 대규모 준비의 불일치, 불안정성 및 낮은 품질에 있습니다.

 

즉, 아직까지 우리는 그래핀 제품을 대규모로 준비할 수 있는 능력이 없으며, 제품이 실험실을 벗어나 대규모로 개발되기 위해서는 고품질이어야 하며 극도로 일관되고 안정적이어야 합니다. 가격이 저렴하고 기술적 성숙도와 획득 용이성 측면에서 획기적인 제품을 찾아야만 그래핀이 진정으로 업계에 진출할 수 있습니다.

 

과대광고의 피해자 재검토 

 

'그래핀의 아버지'로 불리는 노벨 물리학상 수상자 앙드레 가임(Andre Geim)은 얼마 전 그래핀이 과대광고의 희생자라고 말한 적이 있다.

 

실제로 우리는 그래핀을 탐구하는 데 많은 진전을 이루었습니다. 이론적으로 그래핀 연구는 60년 이상의 역사를 가지고 있습니다. 그 과정에서 우리는 많은 어려움을 극복했습니다.

 

당초 연구자들은 2차원 결정은 열역학적으로 불안정해 단독으로 존재할 수 없다는 점을 지적했고, 그래핀은 늘 이론적인 물질로 여겨져 왔다. 2004년까지 영국의 물리학자 안드레 가임(Andre Geim)과 러시아의 물리학자 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)는 실험실에서 그래핀을 연구할 때 한 겹의 흑연만 남을 때까지 투명 테이프로 흑연을 반복적으로 벗겨내면서 얇은 그래핀 층을 이루었다. 이를 통해 두 사람은 2010년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

 

그래핀은 과장된 홍보로 인해 '악마화'되었지만 실제로 그래핀의 미래는 여전히 넓습니다. 중앙 집중식 회로, 전계 효과 트랜지스터, 고출력 LED 방열, 웨어러블 전자 장치, 그래핀 화학 센서 등과 같은 다양한 응용 분야를 포함합니다.

 

이번에 그래핀의 핵심 과제 중 하나가 해결됐다는 것은 그래핀 반도체가 정말 유망하다는 뜻이다. 이때 그래핀이라는 소재를 재검토해야 한다.

 

물론 이것이 많은 과대광고와 또 다른 '그래핀 마케팅 열풍'이 있을 것이라는 의미는 아니다. 그래핀 소재는 여전히 자체적인 실제 응용 돌파구를 찾아야 하며, 궁극적인 목표는 실리콘을 완전히 대체하는 것이 아니라, 자체적으로 창조하는 것이다. 도로. 탄화규소 및 질화갈륨과 마찬가지로 반도체 제조 및 다운스트림 제품에 더 많은 선택권을 제공합니다.

 

참고자료

 

[1] 중국전자신문 : 류중판 학자 : 포스트무어 시대, 그래핀을 '놔주세요'. 2023.8.16.

[2] Shansi Science: 그래핀, 버릇없는 또 다른 개념? .2018.4.26.

[3] 중국복합재료학회: [대중과학지식] '신소재의 왕' 그래핀을 알아가는 데 도움이 될 세 가지 질문! .

[4] Georgia Tech: 연구원들이 그래핀으로 만든 최초의 기능성 반도체를 만들었습니다.2024.1.3.

[5] 파이낸셜 AP: 그래핀으로 만든 최초의 기능성 반도체 출시 2024.1.4.

[6] 실리콘 기반 LIFE: 연구진, 최초로 그래핀으로 만든 기능성 반도체 개발(기술) 2024.1.4.

[7] 황샤오슈(Huang Shaoshu), 그래핀 및 그 화학적 도핑에 대한 검토[J], 현대물리학, 2023, 13(1): 8-16. 

[8] Yin Weihong, Han Qin, Yang Xiaohong 그래핀 기반 반도체 광전자 소자에 대한 연구 진행 [J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(24): 593-604.

[9] Zhao, J., Ji, P., Li, Y. 외. 탄화규소 위에 초고이동도 반도체 에피택시 그래핀을 적용했습니다. 자연 625, 60–65 (2024). 

[10] 카본텍: 그래핀의 반도체 분야 응용 2019.10.8.