원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조 성장법 최초 구현

반도체 초격자 구조는 현대 기술의 발전에 필수적인 요소입니다. 이 구조는 서로 다른 원자의 주기적 배열을 인위적으로 조절해 합성한 것으로, 고성능 반도체, 레이저, 디스플레이 산업에서 널리 활용됩니다.

 

대표적인 예로, 질화갈륨 등의 화학물질을 수 나노미터 층으로 반복 구성한 LED 기술이 있습니다. 이번 블로그 글에서는 2차원 반도체 초격자 구조의 구현과 이를 통해 양자컴퓨팅 기술을 앞당기는 연구에 대해 알아보겠습니다.

 

초격자 구조의 정의와 중요성

초격자 구조는 두 종류 이상의 물질이 주기적인 층을 이루는 구조로, 각 층의 두께는 수 나노미터에 불과합니다. 이러한 구조는 고성능 반도체와 같은 첨단 기술에 중요한 역할을 합니다.

 

예를 들어, 발광다이오드(LED) 기술은 이러한 초격자 구조를 통해 빛을 효율적으로 방출할 수 있게 됩니다. 그러나 기존의 초격자 구조는 강한 공유 결합으로 인해 2차원 반도체에는 적용하기 어려운 문제가 있었습니다.

 

2차원 반도체 초격자 구현의 어려움

2차원 반도체는 초소형 저전력 전자기기 구현의 핵심 소재로 꼽히지만, 원자 단위에서 두 종류 이상의 원자를 쌓아 제어하는 기술은 지금까지 구현되지 못했습니다.

 

기존의 기술로는 3층 이상을 균일하게 쌓는 것이 불가능했으며, 이는 박막이 균일하게 쌓이지 않는 약한 공유 결합 때문입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 접합 기술이 필요했습니다.

 

새로운 물질 성장법 개발

기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단의 조문호 부연구단장 연구팀은 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했습니다. 이로써 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조를 가진 신물질을 세계 최초로 구현했습니다.

 

연구팀은 금속유기화학기상증착법을 이용해 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등을 종류와 순서를 제어하여 새로운 구조의 인공 반도체 소재를 개발했습니다.

 

연구 결과와 기대 효과

연구팀이 개발한 2차원 반도체 초격자 구조 성장법은 원자층 수준에서 원자 종류와 주기의 인위적 제어가 가능합니다. 이는 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인할 수 있게 하여 다양한 전자 구조를 갖는 반도체 기술로 이어질 수 있습니다.

 

또한, 밸리라는 전하의 새로운 자유도 저장도 확인되었습니다. 이 자유도는 양자 정보의 매개체로 이용될 수 있으며, 새로운 반도체 초격자가 양자 정보 연산이 가능한 양자 반도체 플랫폼에 활용될 가능성을 보여줍니다.

 

맺음말

이번 연구는 2차원 반도체 초격자 구조를 구현함으로써 현대 전자 소자 및 광소자 반도체 기술에 새로운 방향을 제시했습니다. 특히, 양자컴퓨팅 소자 분야의 원천 기술로 발전할 가능성을 보여주었습니다.

 

연구 결과는 세계적 학술지 네이처 나노테크놀로지에 게재되어 그 중요성을 인정받았습니다. 앞으로도 이러한 연구가 지속되어 반도체 기술의 발전과 새로운 혁신을 이끌어 나가길 기대합니다.

▲ 2차원 반도체 초격자 구조의 성장 모식도

 

개발된 2차원 반도체 초격자 구조 성장 기술은 원자층이 반복되는 주기와 화학적 조성이 자유자재로 조절 가능한 다채로운 2차원 양자 반도체 플랫폼을 디자인 할 수 있는 보편적인 방법이 될 수 있음을 제시하였다.

▲ 전자현미경으로 관찰한 2차원 반도체 초격자

 

주사터널전자현미경(HAADF-STEM)으로 관찰한 이차원 반도체 초격자 구조 이미지와 에너지 분산형 X선 분광법 (EDX)을 통한 화학 조성 분석. 밝은 이황화텅스텐 원자층과 어두운 이황화몰리브덴 원자층이 나노미터 수준의 정확성을 갖으며 주기적으로 반복된 초격자를 형성한 것을 전자현미경으로 관찰하였다.

▲ 2차원 반도체 초격자를 이용한 양자 정보 (밸리) 저장

• (좌) 두 이차원 반도체의 에너지 밴드 구조에 의해 이황화몰리브데넘 (MoS2)에서 밸리 정보를 가진 정공이 이황화텅스텐 (WS2)로 전이될 수 있게 되고 전하의 재결합 (recombination)을 막아 밸리 정보 저장이 가능하였다.
• (우) 시간에 따른 원편광이색성 (circular dichroism) 변화를 밸리 정보가 저장되는 것을 확인하였고, 2차원 반도체 초격자 구조의 원자층 수가 증가할수록 축적되는 밸리 자유도의 양이 증가하는 것을 볼 수 있었다. 이는 개발된 2차원 반도체의 초격자 구조가 양자 정보를 저장할 수 있는 양자 반도체 플랫폼으로 응용될 수 있다는 것을 의미한다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

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