컴퓨팅

스트레인드 게르마늄: 양자 칩을 위한 획기적 돌파구

게시일 2025년 12월 9일

업데이트일 2026년 5월 27일

작성자

Jonathan Schramm

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실리콘에서 다시 게르마늄으로

Silicon-based semiconductors are increasingly reaching multiple technical limits. Not only are transistors in the most advanced chips made of merely a few atoms, but the very physical characteristics of silicon atoms are becoming a limitation that cannot be overcome for further improvements.

실리콘 기반 반도체는 점점 여러 기술적 한계에 다다르고 있습니다. 가장 앞선 칩의 트랜지스터가 단 몇 개의 원자만으로 만들어질 뿐만 아니라, 실리콘 원자의 물리적 특성 자체가 추가적인 개선을 위해 극복할 수 없는 제한이 되고 있습니다.

이는 특히 스핀트로닉스와 양자 컴퓨팅과 같은 가장 첨단 형태의 컴퓨팅에 해당됩니다.

그 결과, 연구자들과 반도체 기업들은 새로운 잠재적 설계를 찾기 위해 다른 금속과 원소로 눈을 돌리고 있습니다.

특히 게르마늄은 다시 주목받고 있습니다. 1950년대 초기 트랜지스터에 처음 사용되었지만, 생산 비용과 제조 용이성 등 요인으로 인해 초기에는 실리콘으로 대체되었습니다.

오늘날, 전자기기와 적외선 광학(미사일 및 방위 위성의 센서 포함)에 필수적인 게르마늄은 주로 아연 및 몰리브덴 광산에서 생산됩니다.

또한 다른 응용 분야에도 사용할 수 있습니다; 예를 들어, 자성 철-게르마늄 결정이 독특한 구조를 형성하여 초전도체를 만드는 데 활용될 수 있습니다. 게르마늄만으로 만든 필름도 초전도성을 가질 수 있습니다.

하지만 게르마늄은 특정 경우에 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 잠재력을 가진 독특한 물리적 특성을 가지고 있습니다.

워릭 대학교와 캐나다 국립연구위원회 연구원들은 게르마늄이 일부 측면에서 실리콘보다 15,000배 이상 우수할 수 있음을 발견했습니다. 그들은 그 결과를 Materials Today에 “압축 변형된 실리콘 위 게르마늄의 정공 이동도가 7 × 10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹를 초과한다”라는 제목으로 발표했습니다.

요약

연구진은 스트레인드 게르마늄-온-실리콘에서 사상 최고 수준의 정공 이동성을 달성했습니다.
이 물질은 전하 전달 측면에서 산업용 실리콘보다 15,000배 이상 빠릅니다.
cs-GoS 플랫폼은 CMOS와 호환되며 전체 웨이퍼로 확장 가능합니다.
이 돌파구는 저전력 칩 및 향후 스핀 기반 양자 장치 구현을 가능하게 할 수 있습니다.

정공을 이동시키고, 전자는 이동시키지 않음

When dealing with electronics and semiconductors, the exact atomic structure of a material can be as important as the elements of which it is made.

전자공학 및 반도체를 다룰 때, 물질의 정확한 원자 구조는 그 물질을 구성하는 원소만큼이나 중요할 수 있습니다.

게르마늄도 마찬가지입니다. 연구진은 실리콘 위에 압축 변형된 나노미터 두께의 게르마늄 층을 만들었습니다.

아이디어는 일반적인 전자 이동 대신 “고이동성 정공”을 이용해 전하 전달을 최적화하는 것입니다.

이 경우, 전자가 이동하며 정보를 전달하는 대신, 우리는 전기장 하에서 양전하 운반체(“정공”, 즉 전자가 빠진 상태)가 물질을 얼마나 쉽게 통과하는지를 나타내는 특성을 측정합니다.

전통적인 전자 이동에 비해, 정공 이동성은 뛰어난 “강한 스핀-궤도 결합, 억제된 초미세 상호작용, 효율적인 전기식 스핀 제어”를 제공합니다.

덜 기술적인 표현으로, 이 특성은 스핀트로닉 및 양자 컴퓨팅 시스템에서 정보를 인코딩하기에 완벽함을 의미합니다.

하지만 지금까지 정공 이동성 물질은 환경 교란에 너무 취약해 실제 컴퓨팅에 활용하기 어려웠습니다. 불순물과 어려운 제조 공정이 이 아이디어를 더욱 방해했습니다.

압축된 게르마늄

스크롤하려면 스와이프 →

재료	정공 이동도 (cm²/V·s)	비고
Silicon (standard CMOS)	~450	현재 산업 기준
Unstrained Germanium	~1,900	높지만 확장 어려움
Strained Ge on Si (cs-GoS)	7,150,000+	15000배 이상 개선, 웨이퍼 호환

A new production method has recently emerged, called compressive strain, which alters semiconductor materials’ crystal structure, influencing electron energy levels and charge transport.

최근 압축 변형이라고 불리는 새로운 생산 방법이 등장했으며, 이는 반도체 물질의 결정 구조를 변화시켜 전자 에너지 준위와 전하 전달에 영향을 줍니다.

이 방법을 사용해 연구진은 실리콘 층 위에 얇은 압축 게르마늄 층을 만들었으며, 이 층은 정공 이동도가 715만 cm²/V·s에 달했습니다(산업용 실리콘의 약 450 cm²/V·s와 비교).

이는 이 지표에서 게르마늄 기반 전자공학에 비해 기하급수적인 개선을 의미합니다.

출처: Materials Today

“이는 그룹‑IV 반도체에서 전하 전달의 새로운 기준을 설정합니다 – 전 세계 전자 산업의 핵심 소재들.

이는 기존 실리콘 기술과 완전히 호환되는 더 빠르고 에너지 효율이 높은 전자 및 양자 장치의 문을 엽니다.

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada

스트레인드 게르마늄이 양자 및 저전력 칩에 어떻게 활용될 수 있는가

This new cs-GoS platform is inherently compatible with CMOS technology (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), a staple of semiconductor manufacturing used for sensors, low-power circuits, and PC memory.

이 새로운 cs-GoS 플랫폼은 본질적으로 CMOS 기술(상보형 금속 산화막 반도체)과 호환되며, 이는 센서, 저전력 회로 및 PC 메모리 제조에 필수적인 반도체 제조 기술입니다.

또한 웨이퍼 크기의 층으로 확장할 수 있어 현재의 반도체 제조 방식에 바로 적용할 수 있습니다.