과학자들이 어떻게 반도체를 초전도체로 만들었을까?

초전도성 한계

전기는 역사상 가장 혁신적인 기술 중 하나로, 장거리에 걸쳐 매우 유용한 형태의 에너지를 전송할 수 있게 해주었습니다. 하지만 모든 "정상적인" 전기 시스템은 전기 저항에 직면하게 되는데, 이는 전류가 인가될 때 열이 생성되는 결과를 낳습니다.

대안이 있습니다. 바로 초전도 물질입니다. 초전도 물질은 전기 저항이 0이므로 열 발생 없이 매우 강력한 전류가 흐를 수 있습니다.

초전도 현상이 없었다면 입자 가속기를 비롯한 많은 현대 기술이 불가능했을 것입니다. (예를 들어, CERN), MRI 및 자기 부상 열차.

초전도성은 가장 유망한 거대 프로젝트와 기술 혁신의 핵심 구성 요소가 될 것입니다. ITER   핵융합, 대량 운전자, 양자 컴퓨터등

손실이 없는 전력선은 초장거리 전력망 연결 개발에도 매우 중요할 수 있으며, 기상 조건과 시간대에 따른 재생 에너지 생산량 변동을 완화하여 태양광 및 풍력 발전의 한계를 일부 해결할 수 있습니다.

그러나 초전도성은 지금까지 초저온, 즉 절대 영도보다 몇 도 정도 높은 온도에서만 나타나는 물질에 대해서만 마스터되었습니다. 아니면 극도로 높은 압력에서. 아니면 둘 다.

이러한 이유로 초전도 소재는 자기부상열차, MRI 등과 같은 매우 까다로운 응용 분야를 제외하고는 적용하기에는 너무 복잡할 뿐만 아니라 비용도 매우 높아 대규모로 활용될 수 있는 많은 응용 분야에서 경제성이 떨어집니다.

초전도성에 이르는 여러 가지 경로

고압에서 생성된 물질은 저압에서도 초전도성을 어느 정도 유지할 수 있는 것으로 보인다. 압력-급냉 프로토콜(PQP)이라고 불리는 실험적 방법을 통해.

최근 WSe₂(텅스텐 셀레늄)의 꼬인 이중층 고온 초전도체에도 좋은 물질 후보로 나타났습니다.

또 다른 새로운 잠재적 초전도체 종류, 이중층 니켈화물은 올해에도 목록에 추가되었을 수 있습니다..

하지만 이러한 소재들은 모두 비교적 새롭고 이례적인 것들이어서 대량 생산 및 대규모 적용까지는 아직 갈 길이 멉니다.

하지만 게르마늄 기반 반도체를 초전도체로 만들 수 있다는 발견 덕분에 상황이 바뀔 수 있습니다. 이 연구는 호주 퀸즐랜드 대학교, 뉴욕 대학교, 스위스 취리히 연방 공과대학교(ETH Zürich), 그리고 오하이오 주립 대학교의 과학자들이 수행했으며, 연구 결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 발표되었습니다.¹, 제목 아래 '치환형 Ga-고농도 도핑 Ge 에피택셜 박막에서의 초전도 현상".

반도체에서 초전도체까지

게르마늄 반도체

게르마늄과 실리콘은 모두 다이아몬드와 유사한 결정 구조를 가진 소위 4족 원소입니다. 이러한 결정 구조 덕분에 이들은 금속(전기 전도성)과 절연체(비전도성)의 중간적인 성질을 나타내어 반도체 생산에 유용하게 사용됩니다.

게르마늄 반도체 생산은 이미 다양한 전자 및 광학 장치에 사용하기 위해 대규모로 이루어지고 있으며 그 생산 원리도 잘 알려져 있습니다. 사실 그것은 다이오드와 트랜지스터에 사용된 최초의 재료 중 하나그리고 실리콘의 낮은 비용 덕분에 실리콘으로 대체되었을 뿐입니다. 뛰어난 열 안정성.

오늘날 미사일과 방산위성의 센서를 포함한 전자제품 및 적외선 광학 장치에 필수적인 게르마늄은 주로 아연과 몰리브덴 광산에서 생산됩니다.

초전도 현상을 만들려면 전자들이 짝을 이루어 물질 내에서 저항 없이 이동할 수 있어야 합니다.

이미 2023년에 게르마늄 박막에서 초전도 현상이 발견되었습니다.이번 최신 발견을 담당한 연구진은 갈륨 소재에 게르마늄을 도핑하는 연구를 수행했습니다.

출처: 리서치 게이트

"이러한 원리가 가능한 이유는 4족 원소는 정상적인 조건에서는 초전도성을 나타내지 않지만, 결정 구조를 변형하면 초전도성을 가능하게 하는 전자 쌍 형성이 가능해지기 때문입니다."

자바드 샤바니 - 뉴욕대학교 양자 정보 물리학 센터 소장.

규모 확장 가능성

이전에도 게르마늄이나 실리콘 같은 반도체에서 초전도 현상을 구현하려는 시도가 있었지만, 개념 자체는 입증되었음에도 불구하고 대규모 생산에는 어려움을 겪었습니다.

주요 과제는 적절한 전도 특성을 가진 원자 구조를 유지하는 것이었습니다. 일반적으로 갈륨 함량이 높으면 결정이 불안정해져 초전도 현상이 나타나지 않습니다.

하지만 게르마늄 반도체 제조는 이미 잘 알려진 기술이며, 사용할 수 있는 장비도 충분히 갖춰져 있기 때문에 이는 유망한 아이디어입니다.

"게르마늄은 이미 첨단 반도체 기술의 핵심 소재인데, 제어된 성장 조건에서 초전도체로도 변환될 수 있음을 보여줌으로써 확장 가능하고 파운드리에서 바로 생산 가능한 양자 장치 개발의 가능성이 열렸습니다."

피터 제이콥슨 박사 - 퀸즐랜드 대학교 연구원

새로운 생산 방식

대부분의 도핑 방법은 이온을 물질 내에 도입하려고 시도하지만, 결과가 상당히 불규칙적입니다. 이러한 불규칙성으로는 반도체 성능을 향상시킬 수는 있지만, 초전도성을 유도하기에는 너무 부정확합니다.

대신 연구원들은 다음과 같은 기술을 사용했습니다. 분자빔 에피택시(MBE)그것은 지시합니다. 원자 또는 분자 소스를 초고진공(UHV) 환경에서 가열된 기판에 빔 형태로 조사하는 것.

출처: 그 내용을 설명해 주세요

이를 통해 성장하는 박막의 조성, 두께 및 도핑을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

"이온 주입 방식 대신 분자빔 에피택시(MBE)를 사용하여 갈륨 원자를 게르마늄 결정 격자에 정밀하게 통합했습니다."

에피택시, 즉 얇은 결정층을 성장시키는 기술을 사용하면 이러한 물질에서 초전도 현상이 어떻게 나타나는지 이해하고 제어하는 ​​데 필요한 구조적 정밀도를 마침내 달성할 수 있습니다."

줄리안 스틸 박사 - 퀸즐랜드 대학교 연구원

연구진은 싱크로트론 기반 X선 흡수법을 사용하여 갈륨 도펀트가 게르마늄 격자 내에 통합되어 결정 단위 셀에 정방형 왜곡을 유발한다는 사실을 발견했습니다.

출처: 자연 나노 기술

이러한 구조적 질서는 게르마늄에서 초전도 현상이 나타나기 위한 좁은 전자 밴드를 생성합니다.

출처: 자연 나노 기술

더욱 중요한 것은 이 방법이 전자 칩 대량 생산에 사용되는 것과 동일한 웨이퍼 수준 규모에서 작동할 수 있다는 점입니다.

출처: 웨이퍼월드

“이번 이론 연구는 갈륨 원자가 게르마늄 격자에 깔끔하게 치환되어 초전도에 필요한 전자적 조건을 만들어낸다는 것을 확인시켜 주었습니다.”

이는 계산과 실험을 결합하여 50년 넘게 재료 과학계를 괴롭혀온 문제를 해결하는 훌륭한 사례입니다."

카를라 베르디 박사 - 퀸즐랜드 대학교 연구원

어플리케이션

이 방법으로 만들어지는 초전도 현상은 상온 초전도 현상이 아닙니다. 3.5K(-269°C/-453°F)만큼 낮은 온도가 필요하기 때문인데, 이는 재료 과학 분야에서 아직 완전히 밝혀지지 않은 현상입니다.

하지만 반도체 산업에서 흔히 사용되는 기존 장비를 활용하여 쉽게 생산할 수 있다는 점은 초전도 칩 제조 방식을 근본적으로 바꿀 수 있을 것이다.

이는 양자 컴퓨터용 재료 생산 방식을 근본적으로 바꿀 수 있습니다. 미래의 양자 컴퓨터는 값비싼 초전도체 재료 대신, 칩의 특정 부분만 초전도체로 만든 "일반" 갈륨-게르마늄 반도체 웨이퍼를 사용할 가능성이 높습니다.

"이러한 소재는 하이브리드 양자 장치의 새로운 시대를 열어줄 뿐만 아니라, 미래의 양자 회로, 센서, 저전력 극저온 전자 장치 등 초전도 영역과 반도체 영역 사이의 깨끗한 계면을 필요로 하는 모든 장치의 기반이 될 수 있습니다."

피터 제이콥슨 박사 - 퀸즐랜드 대학교 연구원

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반도체 제조에 투자

TSMC

반도체 생산은 매우 전문적이고 복잡한 기술과 비용 절감을 위한 대량 생산의 필요성이 결합된 산업입니다.

대만 기업인 TSMC만큼 이러한 비즈니스 모델을 완벽하게 마스터한 기업은 없으며, TSMC는 초고성능 칩 제조 분야에서 세계를 선도하고 있습니다.

TSMC는 당연히 가장 강력한 3nm 및 2nm 노드 칩을 포함하여 주로 실리콘 칩을 생산합니다. 그리고 가장 첨단적이고 값비싼 칩을 주로 생산하기 때문에 전 세계 반도체 파운드리 산업 매출의 절반 이상을 차지하고 있습니다.

출처: 에릭 플래닝엄

TSMC는 현재 미국에서 실리콘 칩 생산을 시작하기 위해 진화하고 있습니다. 특히 애리조나에 새로 건설한 주조 공장에 대규모 투자를 단행했습니다..

하지만 TSMC는 첨단 게르마늄 기반 트랜지스터 및 기타 반도체 분야에서도 전문가입니다.

따라서 이 회사는 현재 주로 엔비디아와 같은 기업을 위한 첨단 칩 및 AI 하드웨어 제조를 통해 수익을 창출하고 있습니다. (NVDA )또한, 일반적인 반도체 제조 방법으로 생산할 수 있는 제품의 주요 수혜자 중 하나가 될 수도 있습니다.

TSMC(TSM) 주식 관련 최신 뉴스 및 동향

참고 연구:

^{1. Steele, JA, Strohbeen, PJ, Verdi, C. et al. 치환형 Ga-고농도 도핑 Ge 에피택셜 박막에서의 초전도 현상. Nat. 나노 테크 놀. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}