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- 게르마늄을 최초로 초전도체로 만들면서도 반도체의 결정 구조와 긍정적인 특성 유지
- 분자 빔 에피택시(MBE)를 사용, 기체 상태에서 기판 위에 게르마늄과 갈륨을 함께 증착
- 미래의 양자 회로, 양자 센서, 그리고 에너지 절약형 극저온 전자 장치에 사용 가능.

물리학자들, 게르마늄 초전도체 개발
새로운 도핑 기법으로 중요 반도체 소재 초전도체화

반도체에서 초전도체로:
물리학자들이 게르마늄을 최초로 초전도체로 만들면서도 반도체의 결정 구조와 긍정적인 특성을 잃지 않는 데 성공했다. 이는 반도체 실리콘을 포함한 더욱 효율적인 컴퓨터와 전자 기기 개발에 새로운 가능성을 열어준다. 이 새로운 기법은 외부 원자를 반도체 결정 격자에 부드럽고 균일하게 삽입할 수 있다. 연구팀은 "Nature Nanotechnology"에 발표한 논문에서, 이를 통해 손실 없는 전기 전도를 가능하게 하는 전자 배열을 형성한다고 보고했다. 

▲ 새로운 방법 덕분에 반도체 게르마늄이 초전도체가 되었다. 즉, 이 물질은 저항 없이 전기를 전도한다. © Just Super/ Getty Images

게르마늄과 실리콘이 없었다면 트랜지스터와 마이크로칩은 발명되지 않았을 것이고, 오늘날의 컴퓨터도 존재하지 않았을 것이다. 이러한 반도체의 전자적 특성은 거의 모든 현대 전자 기기의 기반을 형성한다. 주기율표 4족에 속하는 이 원소들은 다이아몬드와 같은 안정적인 원자 격자 구조를 갖고 있어 널리 활용될 수 있다.

게르마늄, 실리콘, 그리고 초전도 문제

하지만 게르마늄과 실리콘은 지금까지 한 가지 측면에서 난제로 지적됐다. 바로 초전도체로 만들기가 어렵다는 것이다. 초전도 상태에서는 물질 내부에 전자쌍이 형성되어 전기 손실 없이 전도될 수 있다. 뉴욕 대학교의 선임 저자인 자바드 샤바니(Javad Shabani)는 "게르마늄을 초전도체로 만들 수 있다면 일상적인 전자 기술과 산업 기술에 혁명을 일으킬 수 있을 것"이라고 설명했다. 또한 양자 컴퓨터와 기타 양자 시스템에도 중요한 돌파구가 될 것이다.

문제는 게르마늄을 초전도체로 만들려면 결정 격자에 외부 원자를 도입해야 한다는 것이다. 그러나 지금까지 사용된 방법은 반도체에 필수적인 격자 구조를 손상시킨다. 물리학자들은 "이미 많은 연구를 통해 초전도 게르마늄을 제조할 수 있다는 것이 입증되었다. 하지만 그 결과물은 구조적 불균일성, 외부 원자 덩어리, 그리고 불규칙한 두께 등의 문제를 안고 있다"고 설명하며, "이로 인해 게르마늄의 응용 분야가 제한된다"고 덧붙였다.

▲ 이전에는 갈륨 원자를 도핑하여 일반적인 게르마늄 격자를 파괴했다. 그러나 이 전자 현미경 사진에서 볼 수 있듯이 새로운 방법에서는 그렇지 않다. © Salva Salmani-Rezaie

열과 이온 충격 대신 가스 증착

샤바니와 제1저자인 퀸즐랜드 대학교의 줄리안 스틸(Julian Steele)이 이끄는 연구팀은 이 문제에 대한 해결책을 찾았음에 틀림없다. 그들은 기존처럼 이온 충격이나 짧고 강렬한 가열을 통해 필요한 갈륨 도펀트를 게르마늄 격자에 주입하지 않는 방법을 개발했다. 대신, 물리학자들은 분자 빔 에피택시(MBE)를 사용하여 기체 상태에서 기판 위에 게르마늄과 갈륨을 함께 증착했다.

그 결과, 균질하고 매끄러운 갈륨 도핑 게르마늄층이 형성되었다. 물리학자들은 "분석 결과 갈륨이 게르마늄 격자의 빈 격자 자리를 차지하고 있음이 확인되었다"고 보고했다. 이는 격자 내 갈륨 클러스터 형성을 방지하고, 약간 더 큰 갈륨 원자가 게르마늄 격자 구조의 변형을 미미하게 유발한다.

실험으로 초전도성으로의 전이 확인

하지만 중요한 점은 샤바니와 그의 연구팀이 발견했듯이, 부드럽게 도핑된 게르마늄 덕분에 반도체를 초전도 상태로 만들 수 있다는 것이다. 이 실험에서 그들은 갈륨 함량이 17.9%인 게르마늄을 사용하여 초전도로의 상전이가 측정 가능할 때까지 냉각했다. 물리학자들은 "이 초전도 전이는 3.5켈빈에서 관찰되었다"고 보고했다.

▲ 물리학자들은 이미 실험을 통해 새로운 게르마늄 물질을 사용하여 조셉슨 접합을 구축했다. 이 양자 회로는 중앙의 초전도 게르마늄-갈륨 층(파란색)과 두 개의 게르마늄 층으로 구성되어 있다. © Salva

이렇게 도핑된 게르마늄은 엄밀히 말하면 고온 초전도체는 아니다. 손실 없는 전기 전도도를 위해서는 절대 영도보다 몇 도 정도 더 냉각해야 한다. 하지만 연구진은 이 결과를 중요한 진전으로 보고 있으며, 특히 이미 극저온인 양자 응용 분야에서 더욱 그렇다.

양자 기술 응용

"제어된 조건에서 게르마늄을 초전도체로 만들 수 있음을 입증함으로써, 이 반도체 기술의 핵심은 이제 확장이 가능하고 산업적으로 제조 가능한 양자 소자 개발에도 잠재력을 갖게 되었다"고 퀸즐랜드 대학교의 공동 저자인 피터 제이콥슨(Peter Jacobson)은 말했다. "이 소재는 미래의 양자 회로, 양자 센서, 그리고 에너지 절약형 극저온 전자 장치에 사용될 수 있다.“

더 나아가, 이 방법을 사용하여 반도체 실리콘을 초전도체로 만들 수 있는 가능성이 열렸다. 물리학자들은 "이 결과는 IV족 초전도 물질을 사용하는 미래 기술에 엄청난 잠재력을 보여준다"고 기술했다.

참고: Nature Nanotechnology, 2025; doi: 10.1038/s41565-025-02042-8
출처: New York University. University of Queensland

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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