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최점단 소자 개발을 위한 새로운 소재, 나노멤브레인
휴대폰 내의 카메라는 실리콘 전자소자에 들어온 빛을 디지털 신호로 변환하여 영상으로 표시한다. 이러한 카메라와 사진의 성능을 높이고자 하는 연구는 활발히 진행되고 있다. 이번에 미국의 한 재료과학 연구팀이 빛을 더욱 많이 흡수하면서 동시에 더욱 적은 에너지를 소비하면서 그 제조비용 또한 낮출 수 있는 새로운 물질을 개발하는 데 성공했다.
위스콘신-매디슨대학(University of Wisconsin-Madison)의 재료과학 연구팀은 넓은 범위에 활용될 수 있는 새로운 결정 재료를 만들었다. Max Lagally 교수 연구팀은 나노멤브레인이라 알려진 얇은 반도체 박막을 이용한 혁신전인 전자소재를 개발하였다.
에피택시(epitaxy)를 이루면서 성장된 멤브레인의 응력을 조절하는 것을 통해서 연구팀은 새로운 소재를 개발하는 데 활용될 수 있는 탄성이 완하된 실리콘 게르마늄 멤브레인을 만들 수 있게 되었다. 연구팀은 실리콘 기판 위에 원하는 농도의 게르마늄을 가진 무결함 실리콘 게르마늄 층을 성장시키는 데 성공했다. 실리콘 기판 위에 완전히 독립적으로 실리콘 게르마늄 층이 성장되었다. 실리콘 게르마늄 박막은 새로운 기판 물질로 자리잡게 된다. 이를 통해서 결함이 없는 무결함 벌크 실리콘 게르마늄 결정이 성장될 수 있었다. 또한 실리콘 게르마늄 멤브레인 층은 또 다른 물질의 성장시킬 수 있는 매우 특별한 기판이 될 수 있다.
에피택시는 기판 위에서 원자 단위로 얇은 박막으로 배열된다. 에피택시 층을 성장시키는 것은 반도체 산업에서 새로운 소재 개발에 근본을 차지한다. 다른 원소들을 결합시켜 연구팀은 새롭고 특별한 특성을 가진 물질을 성장시킬 수 있다. 이러한 것은 새로운 센서, 고속-저 전력 소비의 최첨단 전자소자를 만드는 소재로 활용될 수 있다. 또한 특별히 치명적인 결함이 없는 무결함 층을 성장시키는 것은 반도체 산업에서 새로운 소재의 활용성과 그 성공 가능성을 한층 더 높이게 한다. 그러나 지금까지 두 개 그 이상의 원소들을 결합한 양질의 결정을 성장시키는 것은 지나 수 십 년 간 과학자들을 어려움에 빠지게 하는 주요한 한계점으로 작용했다.
“많은 물질들이 한 원소 이상으로 구성된다. 이는 인해 원자 간의 거리는 서로 달라진다.”고 Lagally 교수는 말했다. 또한 그는 “한 층이 성장이 될 때 원자는 서로 다른 것과 경계면을 이루면서 더 이상 단일 결정으로 성장되지 못한다. 이는 결국 성장 층 내의 결함으로 존재한다. 작은 결정은 깨어지고 다결정이 되고 심지어는 크랙이 발생하기도 한다.”고 말했다.
반도체 산업에서 실리콘 게르마늄은 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 특별히 양자컴퓨팅 기술에는 고 품질의 실리콘 게르마늄이 요구된다. 양자 컴퓨터는 중첩(superposition) 교차 형성(entanglement)의 양자 기계적인 현상을 직접적으로 사용한다. 현재의 컴퓨터는 온-오프 두 단계에 제한되어 있지만 중첩을 이용한 양자컴퓨터는 양자 비트와 같은 정보를 인코딩할 수 있다. 이러한 비트는 원자나 전자의 여러 내 외적인 단계로 표현된다. 이러한 단계를 조작할 수 있는 것은 양자 컴퓨터를 가능하게 만드는 것이다. 이는 현재 슈퍼 컴퓨터 보다 수 백만 배 이상의 강력한 처리 능력을 가진 컴퓨터를 만드는 것을 가능케 한다.
얇은 무 결함 기판은 새로운 전자 재료를 만드는 데에 매우 큰 역할을 할 수 있다. 이러한 새로운 접근법은 무 결함 기판 형성을 가능케 할 것이며 이를 통해 특정한 강유전체나 유전체 상을 안정화 시킬 수도 있다. 이러한 것은 더 나은 오실레이터, 센서, 광학 소자, 휴대폰, 카메라, 컴퓨터를 만드는 데에 폭 넓게 활용될 수 있을 것이다.
그림. Si(110)/Si(1?x)Gex(110)/Si(110) 삼중층으로 이루어진 나노멤브레인
이번 연구는 ACS Nano에 "Symmetry in Strain Engineering of Nanomembranes: Making New Strained Materials"라는 제목으로 게재됐다. (DOI: 10.1021/nn2009672)
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=22191.php
관련 링크 http://www.gtnet.go.kr/index.jsp
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