우리 연구진이 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했다. 원자층 두께의 2차원(D) 반도체 초격자 구조를 가진 신물질을 세계 최초로 구현했다.
기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 원자제어 저차원 전자계 연구단의 조문호 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀이 이 같은 성과를 창출했다고 19일 밝혔다. 새로운 양자 정보 반도체 플랫폼을 제시하며 양자컴퓨팅 원천 기술 확보를 앞당길 것으로 기대했다.
반도체 초격자는 두 종류 이상 물질이 주기적인 층을 이룬다. 고성능 반도체, 레이저, 디스플레이 산업에 널리 활용된다. 대표적으로 발광다이오드(LED) 기술은 질화갈륨 등 화학물질을 수 나노미터(㎚) 층으로 반복 구성한 초격자 구조로 완성된다.
그러나 기존 초격자 구조 소재는 2D 반도체에는 활용되기 어려웠다. 층과 층 사이 약한 공유 결합 탓에 박막을 균일하게 쌓을 수 없었다. 3층 이상 쌓을 수 없었다.
이번 연구에서는 접합 기술을 연속으로 사용, 9층 반도체 초격자 구조를 처음으로 구현했다. 진공상태에서 고압의 유기 금속 화합물 증기를 이용하는 금속유기화학증착법으로 2D 반도체인 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀레늄화텅스텐(WSe₂) 등의 새로운 구조 인공 반도체 소재를 개발했다.
연구진의 2D 반도체 초격자 구조 성장법을 이용하면 원자층 수준에서 원자 종류와 주기를 제어할 수 있다. 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인해 전자 구조가 다양한 반도체 기술로 이어질 수 있다.
추가로 연구진은 '밸리(valley)' 자유도 저장도 확인했다. 어떤 물질에 운동량은 다르지만 에너지는 같은 2개 밸리가 존재하면 그 물질의 전자는 밸리 자유도를 가진다. 밸리는 2D 반도체 초격자 구조에서 양자 정보 매개체로 이용될 수 있다.
연구팀은 새로운 반도체 초격자가 양자 정보 연산이 가능한 양자 반도체 플랫폼에 활용될 수 있을 것으로 기대했다.
조문호 부연구단장은 “2D 반도체 초격자 구조는 현대 전자 소자 또는 광소자 반도체 기술에 새로운 방향성을 제시할 것”이라며 “향후 차세대 양자컴퓨팅 소자 분야의 원천기술 중 하나가 될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 세계적 학술지 네이처 나노테크놀로지(IF=39.213)에 16일 게재됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
