베이징대 연구진, 비스무트 기반 신소재 트랜지스터 개발

베이징대 연구진, 실리콘 대체할 고속·저전력 2D GAAFET 트랜지스터 공개

중국 베이징대학교 연구팀이 기존 실리콘 대신 새로운 소재를 활용한 트랜지스터 기술을 개발하며 세계 반도체 업계의 이목을 집중시키고 있다. 연구팀은 이 트랜지스터가 현재까지 개발된 어떤 기술보다 빠르고 에너지 효율적이라고 주장하며, 이 기술이 상용화될 경우 반도체 설계 및 마이크로프로세서 개발 방식에 커다란 전환점을 가져올 수 있다고 평가하고 있다. 특히 연구팀은 이 성과가 실리콘 기반 트랜지스터가 지닌 한계를 극복하며 중국이 반도체 경쟁에서 기술적 돌파구를 마련할 수 있음을 입증한 결과라고 강조했다.

트랜지스터는 전자기기의 기본 구성요소로, 전류 흐름을 제어하는 초소형 스위치 역할을 한다. 스마트폰, 컴퓨터, 인공지능 시스템 등 대부분의 전자기기는 수십억 개의 트랜지스터가 집적된 반도체 칩을 기반으로 작동한다. 트랜지스터가 얼마나 빠르고 적은 에너지로 전환 동작을 수행하느냐에 따라 전자기기의 성능이 결정된다. 따라서 전자 이동 속도가 빠르고 소비 전력이 낮은 트랜지스터를 개발하는 것은 반도체 기술 경쟁의 핵심 과제로 인식된다.

지금까지 반도체 산업은 실리콘이라는 소재를 기반으로 발전해 왔다. 실리콘은 풍부한 자원이며 가공이 쉽고 안정적인 특성을 갖춰 트랜지스터의 핵심 소재로 오랫동안 사용되어 왔다. 하지만 최근 나노미터 단위까지 소형화가 진행되면서 실리콘 트랜지스터는 열 발생과 전류 누설 같은 물리적 한계에 직면하게 되었다. 이는 무어의 법칙을 유지해온 기존 기술 발전 방식에 제동을 거는 요소로 작용하고 있다.

이에 따라 베이징대 연구팀은 실리콘을 대체할 수 있는 신소재를 활용한 새로운 트랜지스터 구조를 제시했다. 연구팀은 비스무트 옥시셀레나이드(Bismuth Oxyselenide, Bi₂O₂Se)라는 2차원 소재를 채택했으며, 이 소재는 원자 한 층 두께로 이루어져 있어 전자 이동이 빠르고 전기적 특성이 우수하다. 여기에 차세대 트랜지스터 구조로 주목받는 게이트-올-어라운드(Gate-All-Around, GAAFET) 방식을 결합하여, 기존 구조보다 전류 제어가 더 정밀하고 전력 손실을 최소화할 수 있도록 설계했다.

연구팀의 실험에 따르면 비스무트 기반 2D GAAFET 트랜지스터는 현재 최고 수준인 인텔과 TSMC의 3나노 실리콘 트랜지스터보다 40% 빠르고, 전력 소비는 10% 낮은 성능을 보였다. 이 성능은 동일한 작동 조건에서의 비교 결과로, 연구팀은 자사 기술이 세계에서 가장 빠르고 효율적인 트랜지스터라고 평가하고 있다. 비스무트 소재의 높은 전자 이동성과 GAAFET 구조의 전류 제어 능력이 성능 향상의 주요 원인으로 분석된다.

이러한 기술은 고성능 컴퓨팅(HPC), 인공지능(AI) 연산, 모바일 기기 성능 향상 등 다양한 분야에서 획기적인 변화를 가져올 수 있다. 특히 AI 분야에서는 낮은 전력 소비가 매우 중요한 요소로 작용하고 있어, 이번 기술이 주는 파급력은 더욱 크다. 더불어 실리콘 기술에 기반한 기존 반도체 공정에서 벗어나 새로운 소재와 구조를 채택함으로써 반도체 기술의 미래 방향성을 제시하는 점에서도 큰 의미를 갖는다.

다만 이 기술이 실제로 상용화되기까지는 여러 과제가 남아 있다. 대표적으로는 2차원 신소재의 안정적 대량 생산 기술 확보, 기존 반도체 제조 공정과의 호환성 문제 해결, 생산 비용 절감 등이 꼽힌다. 연구팀은 현재 대량 생산을 위한 공정 최적화 및 정밀도 향상 연구를 진행 중이며, 기술 완성도가 높아질 경우 실리콘 기반 트랜지스터와의 성능 격차가 더욱 벌어질 것으로 전망하고 있다.