초고효율·초고속 '꿈의 양자 반도체' 개발 성공...실리콘 칩 한계 넘었다

영국 워릭 대학교와 캐나다 국립연구위원회(NRC) 과학자들이 실리콘 호환 소재에서 기록적인 수준의 전기 전도도를 달성하며 차세대 전자 및 양자 장치 개발의 중대한 진전을 이뤄냈다고 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링이 25일(현지시각) 보도했다.

이 고학자들은 거의 마찰 없는 속도로 전자를 구동할 수 있는 양자 반도체를 개발했다고 밝혔다.

보도에 따르면 이번 획기적인 연구 결과는 '머티리얼즈 투데이(Materials Today)에 게재되었으며, 실리콘 웨이퍼 위에 나노미터 두께로 성장시킨 압축 변형 게르마늄(cs-GoS) 층에 초점을 맞추고 있다. 이 소재는 전하가 전례 없는 속도로 이동할 수 있게 해 현대 프로세서의 물리적 한계에 직면한 실리콘 기반 칩 제조의 수명을 연장할 잠재력을 지니고 있다.


오늘날 대부분의 칩은 실리콘에 의존하고 있으나, 부품의 소형화와 트랜지스터 밀도 증가로 인해 발열 증가와 성능 저하라는 문제에 직면해 있다. 1950년대 초 트랜지스터에 사용되었던 게르마늄은 뛰어난 전하 이동도로 알려져 있었지만, 주류 실리콘 생산 기술과의 통합이 어려웠다.
인터레스팅 엔지니어링에 따르면 워릭 대학교의 막심 미로노프 박사 연구팀은 이 새로운 cs-GoS 소재가 이 장벽을 극복했다고 설명했다. 미로노프 박사는 성명을 통해 "갈륨비소화물과 같은 기존의 고이동도 반도체는 매우 비싸고 현대 실리콘 제조와 통합될 수 없다"라며, "우리의 새로운 cs-GoS 양자 소재는 세계 최고 수준의 이동성과 산업적 확장성을 결합해 실용적인 양자 및 고전적인 대규모 집적 회로를 향한 중요한 단계"라고 강조했다.

연구팀은 초박형 게르마늄 층에 제어된 압축 변형을 적용해 성능 향상을 이뤘다. 이 과정을 통해 매우 순수하고 질서 있는 결정 구조가 형성되었고, 이는 전기적 전하의 흐름을 방해하는 불완전성을 최소화했다.

측정 결과, 이 소재는 제곱센티미터당 715만 볼트-초라는 기록적인 홀 이동도를 달성했다. 이는 표준 산업용 실리콘보다 몇 배나 높으며, 현대 칩 제조에 적합한 IV족 반도체에서 보고된 가장 높은 값이다.


인터레스팅 엔지니어링에 따르면 캐나다 국립연구위원회의 세르게이 스투데니킨 박사는 이 결과가 글로벌 전자 산업의 핵심 소재에 대한 "전하 수송의 새로운 기준"을 제시했다고 평가했다. 그는 "이 기술은 기존 실리콘 기술과 완벽하게 호환되는 더 빠르고 에너지 효율적인 전자 장치와 양자 소자의 문을 열어줄 것"이라고 전망했다.
이러한 고이동성 소재의 발전은 칩 제조업체들이 에너지 사용량을 줄이고, 처리 속도를 높이며, 양자 컴퓨팅, 인공지능, 첨단 데이터 센터에 대한 새로운 수요를 충족하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다.

워릭-캐나다 팀은 cs-GoS 플랫폼이 미래의 양자 정보 시스템, 스핀 기반 큐비트, 극저온 제어 회로, 초저전력 프로세서의 기반이 될 수 있다고 밝혔다. 특히 이 소재가 실리콘에 직접 제작되기 때문에 기존 제조 인프라를 사용하여 새로운 장치를 생산할 수 있어 비용 절감과 배포 가속화가 가능할 것으로 예상된다.

연구팀은 소재를 지속적으로 개선하고 잠재적인 장치 아키텍처에 관해 파트너들과 협력할 계획이지만, 상업적 적용까지는 수 년이 더 걸릴 것으로 보인다. 그러나 과학자들은 이 기록적인 성능이 실리콘 호환 양자 소재가 여전히 활용되지 않은 엄청난 잠재력을 가지고 있음을 증명한다고 전했다.

이번 연구가 글로벌 반도체 기술의 새로운 지평을 열 수 있을지 지속적으로 지켜볼 필요가 있다.


이태준 글로벌이코노믹 기자 tjlee@g-enews.com