양자물질 전자 분포 제어 성공…"차세대 초미세 반도체 소자 개발 가능"

POSTECH 연구진, 광 발광 세기 측정 관련 이론적 모델링도

(지디넷코리아=박희범 기자)양자물질의 전자 분포를 자유자재로 제어하는 원천기술이 개발됐다. 향후 차세대 초미세 반도체소자 개발이 가능해질 전망이다.

POSTECH(포스텍)은 물리학과 · 융합대학원 박경덕 교수 연구팀이 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발했다고 20일 밝혔다.

박경덕 교수는 "나노 공간에서 2차원 양자물질의 전자 분포를 자유자재로 조절할 수 있게 됐다"며 "향후 양자물질의 전기적 · 광학적 특성 변화를 조사하는 것이 가능해졌다"고 말했다.

양자물질 전자 분포 제어에 성공한 POSTECH 연구진. 왼쪽부터 주희태, 김수정, 이형우 연구원과 박경덕교수.(사진=POSTECH)

양자물질의 전자 분포를 조절하면 2차원 반도체의 상전이, 전도도 변화, 반도체 입자 형성 및 거동을 제어할 수 있게 된다.

연구팀은 "초전도 특성을 가지는 반도체나 특수한 나노격자 구조를 이용한 메모리 구현이 가능하다"고 설명했다.

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.

그러나 나노 공간에서의 정전기적 전하주입법은 아직까지 숙제였다. 반도체 나노 공간에 전기장을 걸더라도 전자의 빠른 확산으로 인해 전자 분포가 넓어져 제어가 불가능해진다는 것.

이형우 연구원(논문 공동 제1저자, 석박사통합과정)은 "2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산은 초미세 반도체소자 개발에 있어 큰 제약이었다"고 말했다.

연구팀은 이 문제를 원자힘 현미경, 전도성 나노광학 안테나 탐침, 초고분해 분광장치, 고속 교류전압 펄스 발생기를 연동 결합한 초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 개발해 해결했다.

이형우 연구원은 "나노 공간에서 저차원 양자물질의 전자 분포를 조절하는 장비를 최초로 구현했다"며 "복잡한 미세 전극 소자가 필요한 기존 방식과 달리 나노광학 안테나 탐침에 고속 교류전압을 걸어 저차원 양자물질의 전자 밀도를 나노 공간에서 자유자재로 조절하는 데 성공했다"고 부연 설명했다.

초고분해 극초단 펄스 전압조절기를 통해 상온에서 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층의 나노 공간전자 밀도를 제어하고, 광발광 신호 변화를 관측하는 모식도.(그래픽=POSTECH)

연구팀은 이 장비를 이용해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2) 단일층의 전기적 및 광학적 특성을 나노 공간에서 정밀하게 제어했다.

또 이황화몰리브덴 나노 공간 내 반도체입자들이 상호 변환되며, 동시에 이황화몰리브덴 단일층의 광발광 양자수율에도 변화가 있는 물리적 현상을 규명했다.

연구팀은 여기서 한 발 더 나아가 고속 교류전압 펄스 폭에 따른 광발광 세기 측정과 이와 연관한 이론적 모델링을 통해 초고분해 극초단 펄스 전압조절기에 의해 전자 분포 제어가 나노 공간에서 가능함을 검증했다.

김수정 연구원(논문 공동 제1저자, 석박사통합과정)은 ”2차원 반도체의 무작위적인 전자 확산 난제를 극복하고 이의 능동적제어까지 가능해졌기 때문에 전자 밀도의 공간적 변화에 의해 반도체소자에서 발생하는 다양한 물리현상들을 다각적으로 규명할 수 있을 것”이라고 전했다.

한편, 연구에 사용된 2차원 반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막 제작은 울산과학기술원(UNIST) 박형렬 교수팀이 참여했다.

연구는 한국연구재단과 삼성미래기술육성재단 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’(11월16일자)에 온라인으로 게재됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)