그중 최고의 반도체는?

MIT 뉴스 오피스 웹사이트에서 다운로드할 수 있는 이미지는 Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives 라이센스에 따라 비영리 단체, 언론 및 일반 대중에게 제공됩니다. 제공된 이미지를 크기에 맞게 자르는 것 외에는 변경할 수 없습니다. 이미지를 복제할 때는 크레디트 라인을 사용해야 합니다. 아래에 제공되지 않은 경우 이미지를 "MIT"로 표시하십시오.

이전 이미지 다음 이미지

실리콘은 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나이며, 순수한 형태의 물질은 태양전지에서 컴퓨터 칩에 이르기까지 많은 현대 기술의 기초가 되었습니다. 그러나 반도체로서의 실리콘의 특성은 이상적인 것과는 거리가 멀다.

우선, 실리콘은 전자가 그 구조를 쉽게 통과할 수 있게 하지만 전자의 양전하 대응물인 "정공"을 훨씬 덜 수용하며 두 가지를 모두 활용하는 것이 일부 칩에 중요합니다. 게다가 실리콘은 열을 잘 전도하지 못하기 때문에 컴퓨터에서 과열 문제와 값비싼 냉각 시스템이 흔히 발생합니다.

이제 MIT, 휴스턴 대학교 및 기타 기관의 연구팀은 입방정 비소로 알려진 물질이 이러한 한계를 모두 극복한다는 것을 보여주는 실험을 수행했습니다. 전자와 정공 모두에 높은 이동성을 제공하고 열전도율이 우수합니다. 연구원들은 이것이 지금까지 발견된 최고의 반도체 재료이며 아마도 가능한 최고의 재료라고 말합니다.

지금까지 입방정 비소화붕소는 균일하지 않은 소규모 실험실 규모 배치로만 제조 및 테스트되었습니다. 연구진은 재료 내의 작은 영역을 테스트하기 위해 원래 MIT 박사후 연구원인 Bai Song이 개발한 특별한 방법을 사용해야 했습니다. 입방정계 비소가 실용적이고 경제적인 형태로 만들어질 수 있는지, 유비쿼터스 실리콘을 대체할 수 있는지 여부를 결정하려면 더 많은 연구가 필요할 것입니다. 그러나 가까운 미래에도 이 물질은 고유한 특성이 중요한 변화를 가져올 수 있는 용도를 찾을 수 있을 것이라고 연구원들은 말합니다.

이 연구 결과는 MIT 박사후 연구원 신정우와 MIT 기계공학과 교수 Chen의 논문으로 Science 저널에 오늘 보고되었습니다. 휴스턴 대학교의 Zhifeng Ren; 그 외 MIT, 휴스턴 대학교, 오스틴 텍사스 대학교, 보스턴 칼리지의 14명.

새로운 논문의 공동 저자인 David Broido의 작업을 포함한 이전 연구에서는 이론적으로 이 재료가 높은 열 전도성을 가질 것이라고 예측했습니다. 후속 작업은 그 예측을 실험적으로 입증했습니다. 이 최신 연구는 2018년에 Chen의 그룹이 내놓은 예측을 실험적으로 확인함으로써 분석을 완료합니다. 즉, 입방체 붕소 비화물은 전자와 정공 모두에 대해 매우 높은 이동성을 가질 것이며 "이것이 이 물질을 정말 독특하게 만듭니다"라고 Chen은 말합니다.

초기 실험에서는 입방정 비소 붕소의 열전도도가 실리콘의 열전도도보다 거의 10배 더 높다는 사실이 나타났습니다. Chen은 “그러므로 열 방출 측면에서 매우 매력적입니다.”라고 말했습니다. 그들은 또한 이 물질이 반도체 물질로서 큰 잠재력을 제공하는 특성인 매우 좋은 밴드갭을 가지고 있음을 보여주었습니다.

이제 새로운 연구 결과는 전자와 정공 모두에 대한 높은 이동성을 통해 비소붕소가 이상적인 반도체에 필요한 모든 주요 특성을 갖추고 있음을 보여줌으로써 그림을 완성했습니다. “반도체에서는 양전하와 음전하가 동등하게 있기 때문에 이것이 중요합니다. 따라서 장치를 제작하는 경우 전자와 정공 모두 저항이 덜한 상태로 이동하는 물질을 원한다고 Chen은 말합니다.

실리콘은 전자 이동성은 좋지만 정공 이동성은 낮습니다. 레이저에 널리 사용되는 갈륨비소와 같은 다른 물질도 마찬가지로 전자 이동성은 좋지만 정공 이동성은 좋지 않습니다.

논문의 주요 저자인 Shin은 “열은 이제 많은 전자제품의 주요 병목 현상입니다.”라고 말했습니다. “실리콘 카바이드는 낮은 전기 이동성에도 불구하고 실리콘보다 열전도율이 3배 더 높기 때문에 Tesla를 포함한 주요 EV 산업의 전력 전자 장치용 실리콘을 대체하고 있습니다. 실리콘보다 10배 더 높은 열 전도성과 훨씬 더 높은 이동성을 지닌 붕소 비소화물이 무엇을 달성할 수 있는지 상상해 보십시오. 게임체인저가 될 수 있다”