변형된 게르마늄: 양자 칩 개발을 위한 획기적인 발전

실리콘에서 게르마늄으로

실리콘 기반 반도체는 점점 더 여러 기술적 한계에 도달하고 있습니다. 최첨단 칩의 트랜지스터는 단 몇 개의 원자로 이루어져 있을 뿐만 아니라, 실리콘 원자의 물리적 특성 자체가 더 이상의 개선을 가로막는 한계로 작용하고 있습니다.

이는 스핀트로닉스 및 양자 컴퓨팅과 같은 가장 진보된 형태의 컴퓨팅에 특히 해당됩니다.

그 결과, 연구원들과 반도체 회사들은 새로운 잠재적 설계 방안을 찾기 위해 다른 금속과 원소로 눈을 돌리고 있습니다.

특히 게르마늄은 최근 다시 인기를 얻고 있습니다. 1950년대 초창기 트랜지스터에 처음 사용되었던 게르마늄은 생산 비용과 제조 용이성 등의 이유로 실리콘으로 대체되었었습니다.

오늘날 전자제품과 적외선 광학 장치(미사일과 방산위성의 센서 포함)에 필수적인 게르마늄은 주로 아연과 몰리브덴 광산에서 생산됩니다.

다른 용도로도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 자성 철-게르마늄 결정 독특한 구조를 형성하는 것은 초전도체를 만드는 데 사용될 수 있다. 게르마늄만으로 만들어진 필름도 초전도성을 나타낼 수 있다.

하지만 게르마늄은 특정 경우에 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 잠재력을 지닌 독특한 물리적 특성도 가지고 있습니다.

워릭대학교와 캐나다 국립연구위원회 연구진은 게르마늄이 특정 측면에서 실리콘보다 15,000배 이상 우수할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 연구 결과는 "Materials Today"라는 제목으로 학술지에 발표되었습니다.압축 변형된 실리콘 기판 위의 게르마늄에서 정공 이동도는 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹를 초과합니다.".

전자가 아닌 정공을 이동시키는 것

전자제품과 반도체를 다룰 때, 재료의 정확한 원자 구조는 그 재료를 구성하는 원소만큼이나 중요할 수 있습니다.

게르마늄의 경우도 마찬가지입니다. 연구진은 압축 변형을 가한 나노미터 두께의 게르마늄 층을 실리콘 위에 성장시켰습니다.

이 아이디어는 일반적인 전자의 이동 대신 "이동성이 높은 정공"을 사용하여 전하의 이동을 최적화하는 것입니다.

이 경우, 전자가 이동하면서 정보를 전달하는 대신, 전기장 하에서 양전하 운반체("홀", 즉 부족한 전자)가 물질을 얼마나 쉽게 통과하는지를 나타내는 특성을 측정합니다.

기존의 전자 이동과 비교했을 때, 정공 이동도는 우수한 특성을 지닌다.강한 스핀-궤도 결합, 억제된 초미세 상호작용 및 효율적인 완전 전기적 스핀 제어".

좀 더 쉽게 설명하자면, 이러한 특성은 스핀트로닉스 및 양자 컴퓨팅 시스템에서 정보를 인코딩하는 데 완벽하다는 것을 의미합니다.

하지만 지금까지 정공 이동도 소재는 환경적 교란에 너무 취약하여 실제 컴퓨팅에 활용하기 어려웠습니다. 불순물과 제조의 어려움 또한 이러한 아이디어를 가로막는 요인이었습니다.

압축 게르마늄

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최근 압축 변형이라는 새로운 생산 방식이 등장했는데, 이는 반도체 재료의 결정 구조를 변화시켜 전자 에너지 준위와 전하 이동에 영향을 미칩니다.

연구진은 이 방법을 사용하여 실리콘 층 위에 압축된 게르마늄의 얇은 층을 만드는 데 성공했으며, 이 층은 7.15만 cm⁻¹의 정공 이동도를 나타냈다.² 볼트-초당 (약 450cm와 비교)² 산업용 실리콘에서 볼트-초당).

이는 해당 측정 기준에서 게르마늄 기반 전자 장치에 비해 기하급수적인 개선을 의미합니다.

출처: 오늘 자료

이 소재에서는 전하가 훨씬 빠른 속도(15,000배 이상)로 이동할 수 있기 때문에 훨씬 빠르고 에너지 소비가 훨씬 적은 전자 장치를 만들 수 있는 가능성이 열립니다.

"이는 세계 전자 산업의 핵심 소재인 4족 반도체에서 전하 전송에 대한 새로운 기준을 제시합니다."

이는 기존 실리콘 기술과 완벽하게 호환되는 더욱 빠르고 에너지 효율적인 전자 장치 및 양자 장치의 가능성을 열어줍니다.”

세르게이 스투데니킨 박사 - 캐나다 국립연구위원회 수석 연구원

변형된 게르마늄이 양자 및 저에너지 칩에 어떻게 동력을 공급할 수 있을까?

이 새로운 cs-GoS 플랫폼은 센서, 저전력 회로 및 PC 메모리에 사용되는 반도체 제조의 핵심 기술인 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 기술과 본질적으로 호환됩니다.

또한 웨이퍼 크기의 층까지 확장할 수 있으므로 현재의 반도체 제조 방식에 직접 적용할 수 있습니다.

"갈륨비소(GaAs)와 같은 기존의 고이동도 반도체는 매우 비싸고 주류 실리콘 제조 공정에 통합하기가 불가능합니다."

세르게이 스투데니킨 박사 - 캐나다 국립연구위원회 수석 연구원

이는 양자 컴퓨터 설계에서 정공 이동도를 활용하거나, 이러한 유형의 게르마늄 기반 회로를 저에너지 소비 칩 및 스핀트로닉 장치에 통합하는 길을 열어줍니다.

따라서 실험실 시제품을 대량 생산 가능한 칩으로 전환하는 것은 특수한 설계의 경우처럼 어렵지 않을 것입니다.

출처: 오늘 자료

"우리가 새롭게 개발한 압축 변형 게르마늄-실리콘(cs-GoS) 양자 소재는 세계 최고 수준의 이동도와 산업적 확장성을 결합하여, 실용적인 양자 및 고전적 대규모 집적 회로 구현을 향한 중요한 발걸음을 내딛게 해줍니다."

세르게이 스투데니킨 박사 - 캐나다 국립연구위원회 수석 연구원

반도체 제조에 투자

TSMC – 대만 반도체 제조 회사

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 주로 실리콘 칩을 생산하며, 가장 강력한 3nm 및 2nm 노드 칩도 생산합니다. 첨단 기술과 고가의 칩을 생산하기 때문에 전 세계 반도체 파운드리 산업 매출의 절반 이상을 차지하고 있습니다.

출처: 에릭 플래닝엄

TSMC는 현재 미국에서 실리콘 칩 생산을 시작하기 위한 준비를 진행하고 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 게르마늄을 사용하는 칩을 포함하여 고성능 칩을 생산할 수 있다는 발견의 주요 수혜자 중 하나가 될 수도 있습니다.

(당신은 또한 수 TSM의 역사와 사업에 대한 자세한 내용은 투자 보고서를 참조하십시오. 회사에 헌신하는.)

TSMC(TSM) 주식 관련 최신 뉴스 및 동향

참고 연구:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). 실리콘 위의 압축 변형된 게르마늄의 홀 이동도는 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹를 초과합니다. 오늘 자료, 90, 314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}