비스무트(Bi, Bismuth)

최근 차세대 반도체 개발 과정에서 주목을 받고 있는 물질 "비스무트"에 대해 알아보자.

주기율표 15족 즉, 질소족 원소다. 주로 화장용 분에 사용되어 오던 물질이다. 흥미로운 특징은 금속 중에서 반자성이 제일 강하다. 자기장에 대한 반발력을 자성이라고 하는데, 외부 전원이 인가되었을 때, Bi는 크게 반응하지 않다. 다르게 말해 전기 흐름을 막아낸다. 이러한 이유로 전기퓨즈에 사용되어, 과전류로 열이 올라가면 비스무트가 녹아내리고, 비스무트가 전류를 차단한다. 또한 같은 이유로 지금까지는 반도체 소자로써 크게 관심을 받지 못했다.

반도체는 실리콘의 band gap 속성을 활용해, band gap 키우거나 줄임으로써 제어한다. 그에 비해 Bi는 band gap이 없다. 따라서 기존 관점에서보면 반도체 소재로써는 쓸모없는 것으로 보인다. 하지만 역으로 Bi에 적절히 다른 소재를 결합으로써(도핑함으로써) 매우 작은 band gap를 부여할 수 있다면 아주 전원으로 작동하는 반도체를 만들 수 있게 된다.

결국 얼마나 작은 band gap를 가진 소재를 도핑할 수 있느냐!! 이것이 관건이다. 기존 CPU는 Si 자체의 한계로 인해 5~6GHz에서 동작하지만, Bi 도핑 기반 CPU는 500GHz 이상에서도 동작할 수 있다고 한다.

실제 실험 과정에서 Si를 전혀 사용하지 않고, 도핑된 Bi를 사용해 반도체를 제조했다.

자세한 구현방법은 아직 정확하게 알수 없지만, 기존 GAAFET 과정에서 Si 대신 Bi 도핑 제품을 사용했을 때, 40% 성능 향상, 3배 좋은 전력 효율성을 나타냈고, 7Ghz 이상의 CPU를 제조할 수 있었다고 한다.

 

TSMC 역시 Beyond Si 슬로건을 걸고, 신소재 개발에 진행하고 있는데, Bi 소재를 연구하기 시작했다는.

Bi 최대 매장국은 중국.