과학자들이 반도체를 초전도체로 만든 방법

초전도성 제한

전기는 장거리로 매우 유용한 형태의 에너지를 전달할 수 있게 한, 역사상 가장 혁신적인 기술 중 하나입니다. 그러나 모든 일반적인 전기 시스템에는 전기 저항이 있으며, 전류가 흐르면 열이 발생합니다.

대안은 초전도 물질입니다. 초전도체는 전기 저항이 0이므로 매우 강한 전류도 열을 발생시키지 않고 흐를 수 있습니다.

초전도성이 없다면 입자가속기(예: CERN), MRI, 자기부상열차를 비롯한 많은 현대 기술이 존재할 수 없습니다.

초전도성은 ITER와 핵융합, 매스 드라이버, 양자컴퓨터 등 유망한 초대형 프로젝트와 기술 혁신의 핵심 요소가 될 것입니다.

손실 없는 송전선은 초장거리 전력망 연결을 구축하는 데도 중요할 수 있습니다. 날씨와 시간대에 따른 재생에너지 생산 변동을 완화하고 태양광·풍력 발전의 일부 한계를 해결할 수 있기 때문입니다.

하지만 지금까지 초전도성을 구현하려면 절대영도보다 불과 몇 도 높은 극저온, 극도로 높은 압력, 또는 두 조건이 모두 필요했습니다.

이 때문에 자기부상열차나 MRI처럼 요구 조건이 매우 높은 분야를 제외하면 기술이 지나치게 복잡하고 비용도 많이 듭니다. 따라서 초전도 물질의 이점을 누릴 수 있는 많은 응용 분야에서 대규모 사용은 경제성이 없습니다.

초전도성으로 가는 다양한 경로

최근에는 고압에서 제조한 물질이 압력 급랭 프로토콜(PQP)이라는 실험 기법을 통해 더 낮은 압력에서도 초전도성의 일부를 유지할 가능성이 제기됐습니다.

또한 최근 비틀린 이중층 WSe₂(텅스텐 이셀레나이드)가 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체의 유망한 후보로 떠올랐습니다.

올해에는 또 다른 잠재적 초전도체 계열인 이중층 니켈레이트도 후보 목록에 추가됐습니다.

다만 이 물질들은 모두 비교적 새롭고 특수해 대량생산과 대규모 도입까지는 아직 거리가 멉니다.

게르마늄 기반 반도체를 초전도체로 바꿀 수 있다는 발견은 이 상황을 바꿀 수 있습니다. 퀸즐랜드대학교(호주), 뉴욕대학교, ETH 취리히(스위스), 오하이오주립대학교 연구진은 연구 결과를 Nature Nanotechnology¹에 “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”라는 제목으로 발표했습니다.

반도체에서 초전도체로

게르마늄 반도체

게르마늄과 실리콘은 모두 다이아몬드와 유사한 결정 구조를 지닌 14족 원소입니다. 이 결정 구조 때문에 전기를 전도하는 금속과 전도하지 않는 절연체의 중간 성질을 보여 반도체 제조에 유용합니다.

게르마늄 반도체의 제조법은 이미 잘 확립돼 있으며 여러 전자·광학 장치용으로 대규모 생산되고 있습니다. 실제로 게르마늄은 다이오드와 트랜지스터에 사용된 최초의 재료 중 하나였지만, 더 저렴하고 열적 안정성이 뛰어난 실리콘으로 대체됐습니다.

오늘날 전자공학과 적외선 광학, 미사일 및 방위위성 센서 등에 필수적인 게르마늄은 대부분 아연과 몰리브덴 광산에서 생산됩니다.

초전도성을 만들려면 전자들이 쌍을 이루어 물질 안에서 저항 없이 이동할 수 있어야 합니다.

이미 2023년에 게르마늄 박막에서 초전도상이 확인됐습니다. 이번 발견을 이끈 연구진이 게르마늄에 갈륨을 고농도로 도핑해 수행한 연구였습니다.

출처: ResearchGate

“이는 14족 원소가 정상적인 조건에서는 본래 초전도성을 띠지 않지만, 결정 구조를 바꾸면 전자쌍을 형성해 초전도성을 구현할 수 있기 때문입니다.”

— 뉴욕대학교 양자정보물리센터 소장 Javad Shabani

확장 가능성

게르마늄과 실리콘 같은 반도체에서 초전도성을 만들려는 이전 시도들은 개념을 입증했지만, 이를 대규모로 구현하는 데 어려움을 겪었습니다.

핵심 문제는 적절한 전도 특성을 지닌 원자 구조를 유지하는 것이었습니다. 일반적으로 갈륨 농도가 높아지면 결정이 불안정해져 초전도성이 나타나지 않습니다.

그럼에도 게르마늄 반도체 제조는 이미 충분히 이해된 기술이고 사용할 수 있는 장비도 많기 때문에 유망한 접근법입니다.

“게르마늄은 이미 첨단 반도체 기술의 핵심 소재입니다. 제어된 성장 조건에서 초전도체로 만들 수 있음을 보여줌으로써, 이제 확장 가능하고 파운드리 생산에 적합한 양자소자의 가능성이 열렸습니다.”

— 퀸즐랜드대학교 연구원 Peter Jacobson 박사

새로운 생산 방법

대부분의 도핑 방식은 물질에 이온을 주입하지만 결과가 상당히 불균일합니다. 반도체 성능 개선에는 충분할 수 있어도 초전도성을 유도하기에는 정밀도가 부족합니다.

대신 연구진은 분자선 에피택시(MBE)라는 기법을 사용했습니다. 초고진공(UHV) 환경에서 가열된 기판을 향해 원자 또는 분자 공급원의 빔을 조사하는 방식입니다.

출처: ExplainThatStuff

이 방식은 성장하는 박막의 조성, 두께, 도핑 수준을 정밀하게 제어할 수 있게 합니다.

“이온 주입 대신 분자선 에피택시(MBE)를 사용해 갈륨 원자를 게르마늄 결정 격자에 정밀하게 삽입했습니다.

에피택시, 즉 얇은 결정층을 성장시키는 방법을 사용하면 이 물질에서 초전도성이 어떻게 나타나는지 이해하고 제어하는 데 필요한 구조적 정밀도를 마침내 확보할 수 있습니다.”

— 퀸즐랜드대학교 연구원 Julian Steele 박사

연구진은 싱크로트론 기반 X선 흡수 분석을 통해 갈륨 도펀트가 게르마늄 격자 안에 들어가 결정 단위격자에 정방정계 왜곡을 유발한다는 사실을 확인했습니다.

출처: Nature Nanotechnology

이러한 구조적 질서는 게르마늄에서 초전도성이 나타날 수 있는 좁은 전자 밴드를 형성합니다.

출처: Nature Nanotechnology

더 중요한 점은 이 방법이 전자칩 대량생산에 쓰이는 것과 동일한 웨이퍼 규모 공정으로 구현될 수 있다는 것입니다.

출처: WaferWorld

“이론 연구를 통해 갈륨 원자가 게르마늄 격자 안에서 원래 원자를 깔끔하게 치환하며 초전도성에 필요한 전자 조건을 만든다는 사실을 확인했습니다.

계산과 실험을 함께 활용해 반세기 넘게 재료과학이 풀지 못한 문제를 해결한 우아한 사례입니다.”

— 퀸즐랜드대학교 연구원 Carla Verdi 박사

응용 분야

이 방법으로 만들어지는 초전도성은 상온 초전도성이 아닙니다. 3.5 K(-269 °C / -453 °F)까지 낮춰야 하며, 상온 초전도성은 여전히 재료과학이 풀지 못한 과제입니다.

그럼에도 반도체 산업에서 이미 확립된 장비를 이용해 쉽게 생산할 수 있다는 점은 초전도 칩의 제조 방식을 근본적으로 바꿀 수 있습니다.

이는 양자컴퓨터용 소재의 생산 방식도 크게 바꿀 수 있습니다. 미래의 양자컴퓨터는 값비싼 초전도 물질 대신 일반적인 갈륨-게르마늄 반도체 웨이퍼를 사용하고, 칩의 필요한 위치만 초전도체로 전환할 수 있습니다.

“이 물질은 하이브리드 양자소자의 새로운 시대를 열고, 미래의 양자회로와 센서, 저전력 극저온 전자장치의 기반이 될 수 있습니다. 이들 모두에는 초전도 영역과 반도체 영역 사이의 깨끗한 계면이 필요합니다.”

— 퀸즐랜드대학교 연구원 Peter Jacobson 박사

스와이프하여 스크롤 →

반도체 제조에 투자하기

TSMC

반도체 생산은 고도로 전문적이고 복잡한 기술과, 비용 절감을 위한 대규모 양산 능력이 결합돼야 하는 산업입니다.

이 사업 모델을 대만 기업 TSMC만큼 성공적으로 구현한 회사는 없습니다. TSMC는 최첨단 반도체 제조 분야의 세계 선두 기업입니다.

TSMC는 가장 강력한 3 nm 및 2 nm 공정 칩을 포함해 주로 실리콘 칩을 생산합니다. 가장 첨단이고 값비싼 칩을 주로 제조하기 때문에 세계 반도체 파운드리 매출의 절반 이상을 차지합니다.

출처: Eric Flaningam

TSMC는 현재 미국에서도 실리콘 칩 생산을 확대하고 있으며, 특히 애리조나의 신규 파운드리에 막대한 투자를 진행하고 있습니다.

또한 TSMC는 첨단 게르마늄 기반 트랜지스터와 다른 반도체 분야에서도 전문성을 보유하고 있습니다.

현재 회사 이익의 대부분은 첨단 칩과 Nvidia (NVDA ) 같은 기업을 위한 AI 하드웨어 제조에서 나오지만, 일반적인 반도체 제조법으로 초전도체를 만들 수 있다는 이번 발견의 주요 수혜 기업 중 하나가 될 수도 있습니다.

최신 TSMC (TSM) 주식 뉴스 및 개발

참조 연구:

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}