실리콘은 지구상에서 가장 풍부한 원소들 중 하나이고, 순수한 형태로, 반도체 물질은 마이크로 전자 컴퓨터 칩과 태양 전지를 포함한 현대 기술의 많은 기초가 되었다. 하지만 반도체로서의 실리콘의 특성은 사실 이상과는 거리가 멀다.
MIT, 휴스턴대학, 그리고 기타 기관의 과학자 팀은 입방정계 붕소 비소라고 불리는 물질이 이 두 가지 한계를 극복한다는 것을 보여주는 실험을 수행했다. 전자와 정공(분자 내 전자들이 차지할 수 있는 자리에 전자들이 없을 경우) 모두에 높은 이동성을 제공하는 것 외에도 열전도성이 우수한 성질을 갖고 있다. 연구원들에 따르면, 지금까지 발견된 것 중 최고의 반도체 재료이며, 아마도 가장 좋은 것일 수도 있다고 판단했다.
입방붕소 비소는 지금까지 균일하지 않은 소규모 실험실 규모로만 제조되고 테스트 되었다. 사실, 재료내의 작은 지역들을 테스트하기 위해서, 과학자들은 원래 MIT 포스트닥터(박사 후 연구원)였던 바이 송(Bai Song)에 의해 개발된 특별한 방법을 사용해야만 했다.
입방정계 붕소 비소가 실용적이고 경제적인 형태로 만들어질 수 있는지 결정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요할 것이다. 하지만 가까운 미래에, 그 물질은 그것의 독특한 특성이 중요한 차이를 만드는 용도를 발견할 수 있을 것이라고 연구원들은 말한다.
이 발견은 MIT 포스트닥터 신정우(Jungwoo Shin), MIT 기계공학 교수 강첸(Gang Chen), 휴스턴 대학교의 지펑 렌, 그리고 MIT, 휴스턴 대학교, 오스틴 텍사스 대학교, 보스턴 칼리지의 14명의 다른 교수들의 논문에서 발표되었으며, 2022년 7월 21일 사이언스지에 보고되었다.
이 논문의 공동저자인 데이비드 브로이도(David Broido)의 연구를 포함한 초기 연구는 이론적으로 이 물질이 높은 열전도성을 가질 것이라고 예측했었다. 후속 연구는 그 예측을 실험적으로 증명했다.
이제, 새로운 연구는 전자와 구멍 모두에 대한 높은 이동성과 함께, 붕소 비소화물이 이상적인 반도체에 필요한 모든 주요 특성을 가지고 있다는 것을 보여주며 그림을 채우고 있다.
"반도체에서는 양전하와 음전하가 모두 동등하기 때문에 중요하다. 따라서 장치를 만든다면 전자와 홀이 더 적은 저항으로 이동하는 재료가 필요할 것이다."라고 첸은 말한다.
실리콘은 전자 이동성은 좋지만 구멍 이동성은 좋지 않으며, 레이저에 널리 사용되는 비화갈륨과 같은 다른 물질들도 마찬가지로 전자에 대한 이동성은 좋지만 구멍에는 그렇지 않다.
주요 연구담당자인 신 박사는 "열은 이제 많은 전자제품의 주요 병목현상이 되고 있다."고 말하면서 “실리콘 카바이드사는 전기이동성이 낮음에도 열전도율이 실리콘보다 3배 이상 높아 테슬라를 비롯한 주요 전기차 산업에서 전력전자용 실리콘을 대체하고 있다. 실리콘보다 열전도율이 10배 이상 높고 이동성이 훨씬 높은 붕소 비소화물이 무엇을 달성할 수 있는지 상상해 본다면 판도를 바꿀 수 있다."고 강조했다.
신 교수는 "이 발견을 가능하게 하는 중요한 이정표는 MIT의 초고속 레이저 그레이팅 시스템의 발전"이라고 덧붙였다. 그 기술이 없었다면 전자와 홀에 대한 물질의 높은 이동성을 입증할 수 없었을 것이라고 말한다.
입방정계 붕소 비소의 전자적 특성은 처음에 첸의 그룹에 의해 만들어진 양자 역학적 밀도 함수 계산에 기초하여 예측되었고, 이제 그러한 예측은 실험을 통해 검증되었다.
이 물질의 열전도율은 모든 반도체 중 최고일 뿐만 아니라 과학자들은 다이아몬드와 동위원소가 풍부한 입방 붕소 질화물 다음으로 모든 물질 중 세 번째로 우수한 열전도율을 가지고 있다고 한다.
첸은 "그리고 이제 우리는 전자와 구멍 양자 기계적 거동을 첫 번째 원칙에서도 예측했으며, 이는 또한 사실로 입증되었다."고 밝혔다.
그는 또 "이것은 실제로 그래핀 이외의 다른 물질에 대해 알지 못하기 때문에 인상적이다. 그리고 모든 특성을 가지고 있는 벌크 재료이다."고 강조했다.
첸은 "실리콘은 전체 산업의 주력 제품이다."고 강조하면서 "실제로 업계를 상쇄 할 것인가에 대해 고민하고 있다."고 말했다. 또 "거의 이상적인 반도체인 것처럼 보이지만, 실제로 장치에 들어가 현재 시장의 일부를 대체 할 수 있는지 여부는 아직 입증되지 않았다”고 생각하고 있다고 말했다.
그밖에 이 실리콘은 열적, 전기적 특성이 우수한 것으로 밝혀졌지만 장기적인 안정성과 같이 아직 테스트되지 않은 재료의 다른 많은 특성이 있다고 첸은 말한다. "장치를 만들기 위해서는 우리가 아직 모르는 다른 많은 요소가 있다."는 것이 그의 주장이다.
그는 "이제 붕소 비소의 바람직한 특성이 더욱 명확해짐에 따라 재료가 여러 면에서 최고의 반도체라고 제안한다."며, "아마도 많은 기업들이 이 재료에 더 많은 관심을 기울일 것"이라 말했다.
첸은 상업적 용도로 "한 가지 큰 도전은 입방 붕소 비소를 실리콘만큼 효과적으로 생산하고 정화하는 방법이다."라고 말하며, "실리콘을 획득하는 데 수십 년이 걸렸으나 순도는 99.99 % 이상이다."라고 밝혔다.
첸은 시장에서 실용적이 되기 위해서는 "더 나은 재료를 만들고 특성화 하기 위해 더 많은 사람들이 다양한 방법으로 개발해야 한다."고 말한다. 그러한 개발에 필요한 자금이 확보 될 수 있을지는 아직 밝혀지지 않았다.
김진영 글로벌이코노믹 기자
