Growth of superconducting boron doped diamond on 4inch silicon wafers

다이아몬드는 보통 가장 단단한 천연 물질로 알려져 있으며, 열을 매우 잘 전도하지만 전기는 완전히 차단하는 보석입니다. 그러나 과학자들이 다이아몬드의 결정 구조에 소량의 붕소를 혼합하면, 이 물질의 성질은 완전히 변합니다. 절연체로 작되는 대신, 다이아몬드는 금속처럼 전기를 전도하기 시작합니다. 충분한 양의 붕소가 첨가되면, 이 물질은 매우 낮은 온도에서 초전도성이라고 불리는 놀라운 상태에 진입합니다. 이 상태에서 전기는 저항 없이 흐르며, 이는 에너지가 열로 손실되지 않음을 의미합니다. 이러한 특성은 초전도 다이아몬드가 만약 대형의 사용 가능한 시트 형태로 성장할 수 있다면, 초정밀 센서나 양자 컴퓨터와 같은 첨단 전자 기기를 구축하는 데 유망한 후보가 되게 합니다.

수년 동안 연구자들은 일반적으로 폭이 2인치인 작은 실리콘 웨이퍼 위에 이러한 초전도 다이아몬드 박막을 성공적으로 성장시켜 왔습니다. 이 크기는 테스트와 소규모 프로토타입 제작에는 충분하지만, 상업적 장치의 대량 생산을 하기에는 너무 작습니다. 이 재료를 실제 기술에 실용적으로 만들기 위해서는, 반도체 산업에서 표준 크기로 사용되는 4인치 웨이퍼와 같이 훨씬 더 큰 표면에 성장시켜야 합니다. 문제는 다이아몬드 박막을 성장시키는 데 사용되는 공정인 화학 기상 증착법이 표면의 크기가 변함에 따라 항상 동일하게 작동하지는 않는다는 점에 있습니다. 작은 원형에서는 완벽하게 작동하는 조건이 더 큰 원형에서는 실패하거나 고르지 않은 결과를 낼 수 있습니다. 카디프 대학교의 연구팀은 4인치 실리콘 웨이퍼 위에 초전도 붕소 도핑 다이아몬드 박막을 성장시키려는 시도를 통해 이 문제를 해결하고자 했으며, 이를 통해 넓은 표면 전체에 걸쳐 높은 품질의 성능을 유지할 수 있는지 확인하고자 했습니다.

연구진은 먼저 새로운 박막이 고르게 성장하도록 돕기 위해 미세한 다이아몬드 씨앗 층으로 실리콘 웨이퍼를 준비했습니다. 그 다음, 이 웨이퍼들을 특수 챔버에 넣고 약 800도씨로 가열한 뒤 수소와 메탄 가스의 플라즈마로 목욕시켰습니다. 초전도 물질을 만들기 위해, 그들은 가스 혼합물에 붕소를 도입했습니다. 연구진은 낮은 양에서 시작하여 점진적으로 늘려가며 붕소 농도를 테스트하여 물질이 어떻게 반응하는지 관찰했습니다. 목표는 붕소 함량이 초전도성을 유발할 만큼 충분히 높으면서도 결정 구조를 손상시키지 않을 만큼 과하지 않은 정확한 '최적의 지점(sweet spot)'을 찾는 것이었습니다. 그들은 가스 내 탄소 대비 붕소의 비율이 대략 6,500ppm에서 36,000ppm 이상에 이르도록 서로 다른 여섯 가지의 박막을 성장시켰습니다.

연구진이 강력한 현미경으로 이 새로운 박막의 표면을 조사했을 때, 물리적 질감은 놀라울 정도로 일관되게 유지되었습니다. 가스에 얼마나 많은 붕소가 추가되었는지와 상관없이, 다이아몬드 박막을 구성하는 미세한 알갱이들의 크기는 약 240에서 270 나노미터 사이로 거의 일정하게 유지되었습니다. 이는 매우 중요한 첫 단계였는데, 단순히 붕소를 더 많이 추가하는 것이 박막의 매끄러움이나 구조를 망가뜨리지 않는다는 것을 의미했기 때문입니다. 그러나 진짜 시험은 이 박막이 실제로 저항 없이 전기를 전도할 수 있는지 여부였습니다. 연구진은 샘플을 절대 영도보다 단 2도 높은 온도로 냉각하여 전기적 특성을 측정했습니다. 그들은 붕소 농도가 가장 낮은 박막은 초전도 상태에 진입하지 못한다는 것을 발견했습니다. 하지만 그다음 낮은 농도부터 가장 높은 농도까지의 모든 박막은 성공적으로 초전도 상태에 진입했습니다.

가장 흥격적인 발견은 물질이 초전도 상태가 되는 온도가 붕소의 양에 따라 어떻게 변하는가 하는 점이었습니다. 연구진이 가스 내 붕소를 늘림에 따라, 박막이 초전도 상태가 되는 온도는 꾸준히 상승했습니다. 이 물질은 가스 비율이 약 24,700ppm인 박막에서 정점에 도달했으며, 이때 물질은 4.03 켈빈에서 초전도 상태가 되었습니다. 이는 이 유형의 물질에게 매우 중요한 온도인데, 성능이 떨어지기 전의 가장 높은 지점이기 때문입니다. 이 지점을 넘어 붕소를 더 많이 추가하자 초전도 온도가 다시 낮아지기 시작했습니다. 이는 최상의 결과를 얻기 위해 필요한 최적의 붕소 양이 존재하며, 너무 많이 추가하면 오히려 물질의 전도 능력을 해친다는 것을 말해줍니다. 최고의 성능을 보인 박막은 3 테슬라 이상의 강한 자기장에서도 초전도 상태를 잃지 않고 견딜 수 있었는데, 이는 많은 전자 응용 분야에서 필수적인 요구 사항입니다.

결과가 단일 지점의 우연한 결과가 아님을 확인하기 위해, 연구팀은 가장 성능이 좋은 박막에서 가운데, 중간, 그리고 가장자리 부분을 잘라내어 4인치 원 전체에 걸쳐 품질이 균일한지 확인했습니다. 그들은 초전도 특성이 모든 곳에 존재하지만, 완전히 동일하지는 않다는 것을 발견했습니다. 웨이퍼의 중간 부분에서 가져온 조각이 4.19 켈빈에서 초전도 상태가 되어 가장 우수한 성능을 보였습니다. 중심부는 4.02 켈빈으로 그 뒤를 바짝 쫓았습니다. 그러나 웨이퍼의 가장자리에서 가져온 조각은 눈에 띄는 하락을 보이며 3.33 켈빈에서 초전도 상태가 되었습니다. 이러한 차이는 4인치 웨이퍼 전체를 초전도 상태로 만들 수는 있지만, 가장자리 조건이 중간보다 약간 덜 유리하다는 것을 시사합니다. 연구진은 라만 분광법을 사용하여 레이저 빛으로 다이아몬드 내부에 실제로 얼마나 많은 붕소가 들어있는지 측정함으로써 이를 확인했습니다. 측정 결과, 붕소 농도는 중간 섹션에서 가장 높고 가장자리에서는 낮았으며, 이는 초전도 성능의 패턴과 완벽하게 일치했습니다.

연구진이 4인치 대형 웨이퍼에서의 결과를 기존의 2인치 소형 웨이퍼 연구 결과와 비교했을 때 명확한 차이가 나타났습니다. 작은 웨이퍼에서는 훨씬 적은 양의 붕소를 가스에 투입했을 때 최상의 초전도 특성을 얻을 수 있었습니다. 이와 달리, 더 큰 4인치 웨이퍼에서 동일한 고품질의 결과를 얻기 위해서는 연구진이 훨씬 더 높은 농도의 붕스 혼합물을 사용해야 했습니다. 이는 다이아몬드 결정 내부로 붕소를 침투시키는 과정이 면적이 커질수록 효율성이 떨어진다는 것을 나타냅니다. 아마도 박막을 성장시키는 데 사용되는 플라즈마의 에너지 밀도가 더 작은 원형에서만큼 효과적으로 붕소를 통합하지 못하고 더 넓은 표면 위로 너무 얇게 퍼지기 때문인 것으로 보입니다. 이러한 어려움에도 불구하고, 상당한 면적의 4인치 웨이퍼 위에 초전도 박막을 성장시킬 수 있었다는 사실은 큰 진전입니다. 이는 비록 더 큰 크기에 맞춰 레시피를 조정해야 할지라도, 이 재료를 제조 규모로 확장할 수 있음을 입증합니다.

본 연구는 초전도 다이아몬드를 대형 웨이퍼 위에 성장시키는 것이 가능하지만, 대규모 성장 시 발생하는 효율 감소를 보완하기 위해 붕소 공급을 세심하게 조절해야 한다고 결론짓습니다. 연구진은 대규모 영역의 초전도 물질을 생산하는 것이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이는 더 복잡하고 더 큰 장치를 만드는 길을 열어주었습니다. 성공의 핵심은 붕소 농도를 관리하고 웨이퍼 전체에 최대한 고르게 분포시키는 데 있습니다. 이러한 구체적인 과제들을 식별함으로써, 이 연구는 기술을 실험실 벤치에서 차세대 전자 제품을 위한 생산 라인으로 이동시키는 명확한 경로를 제공합니다.