포스텍(POSTECH)은 박경덕 물리학과·융합대학원 교수 연구팀이 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발했다고 18일 밝혔다. 나노 공간에서 2차원 양자물질의 전자 분포를 자유자재로 조절하고, 이에 따른 전기·광학적 특성 변화 관찰이 가능해졌다.
전자 분포는 양자소자의 전기·광학적 특성을 결정짓는 중요한 요소다. 양자물질의 전자 분포를 극히 작은 공간에서 정밀하게 제어하는 기술은 차세대 초미세 반도체소자 개발의 초석이 된다. 전자 분포를 조절, 2차원 반도체의 상전이, 전도도 변화, 반도체입자 형성 및 거동을 제어할 수 있으며, 초전도 특성을 가지는 반도체나 특수한 나노격자 구조를 이용한 메모리 구현이 가능하다.
저차원 양자물질의 전자 분포와 밀도 조절을 위한 대표적인 방법으로 화학적 전하주입법과 정전기적 전하주입법이 있다. 이 중 정전기적 전하주입법은 가역적이고 비파괴적이며, 빠르고 안정적인 전자 분포 조절이 가능하다는 장점이 있다.
하지만 나노 공간에서의 정전기적 전하주입법은 아직까지 해결되지 못한 어려운 문제다. 반도체 나노 공간에 전기장을 걸더라도 전자의 빠른 확산으로 인해 제어 불가능한 넓은 공간의 전자 분포가 변화하게 된다. 차세대 반도체소자 개발을 위해서 전자 확산 문제를 극복하고 나노 공간에서 반도체의 전자 분포를 조절하는 기술이 필요하다.
연구팀은 원자힘현미경, 전도성 나노광학 안테나 탐침, 초고분해 분광장치, 고속 교류전압 펄스 발생기를 연동 결합한 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발해 나노 공간에서 저차원 양자물질의 전자 분포를 조절하는 장비를 최초로 구현했다. 복잡한 미세 전극 소자가 필요한 기존 방식과 달리 나노광학 안테나 탐침에 고속 교류전압을 걸어 저차원 양자물질의 전자 밀도를 나노 공간에서 자유자재로 조절하는 데 성공한 것이다.
연구팀은 개발 장비를 이용해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층의 전기적 및 광학적 특성을 나노 공간에서 정밀하게 제어했다. 또 MoS2 단일층의 전기적 특성과 광학적 특성을 정밀하게 동시 측정한 결과, 전자 밀도를 조절함에 따라서 MoS2 나노 공간 내 반도체입자들이 상호 변환되며, 동시에 MoS2 단일층의 광발광 양자수율에도 변화가 있는 물리적 현상을 규명했다. 더 나아가 고속 교류전압 펄스 폭에 따른 광발광 세기 측정과 이와 연관된 이론적 모델링을 통해 초고분해 극초단 펄스 전압조절기에 의해 전자 분포 제어가 나노 공간에서 가능함을 검증했다.
논문 제1저자 김수정 씨는 “양자물질의 전자 분포를 자유자재로 제어하는 원천기술의 개발은 차세대 초미세 반도체소자 개발의 토대가 될 것”이라고 말했다. 논문 공동 제1저자인 이형우 씨는 “전자 밀도의 공간적 변화에 의해 반도체소자에서 발생하는 다양한 물리현상들을 다각적으로 규명할 수 있을 것”이라고 했다.
한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스' 에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
