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원자 두께 2차원 반도체 쌓아 초격자 구현했다

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원자 두께 2차원 반도체 쌓아 초격자 구현했다

2021.07.19 10:53
조문호 IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장…양자컴퓨터 소자 기대
조문호 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀은 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했다. IBS 제공
조문호 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀은 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했다. IBS 제공

초소형 전자기기 핵심 소재로 꼽히는 2차원 반도체를 쌓아 반도체와 디스플레이 산업에 쓰이는 반도체 초격자 구조를 만드는 기술이 처음 개발됐다. 새로운 반도체를 디자인할 수 있고 양자 정보를 저장할 수 있어 새로운 양자컴퓨팅 소자로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

 

조문호 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀은 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했다고 19일 밝혔다.

 

반도체 초격자는 서로 다른 원자의 주기적 배열을 인위적으로 조절해 주기적인 층을 이루도록 쌓은 구조를 말한다. 각 층 두께는 수 나노미터(nm·10억 분의 1m)다. 질화갈륨 등 화학물질을 수 nm로 쌓아 만드는 발광다이오드(LED)가 대표적이다. 하지만 2차원 반도체 물질은 층과 층 사이 약한 공유결합이 생겨 박막이 균일하게 쌓이지 않아 3층 이상 쌓는 게 불가능했다.

 

연구팀은 접합 기술을 연속으로 써 서로 다른 원자층 반도체가 9층까지 반복되는 반도체 초격자 구조를 처음 구현했다. 금속 박막을 만드는 금속유기화학증착법을 이용해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴, 이황화턴스텐, 이셀레늄화텅스텐 등을 종류와 순서를 제어해 쌓는 기술을 개발한 것이다. 이 성장법은 원자층마다 원자 종류와 주기를 제어할 수 있어 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인할 수 있다.

 

연구팀은 이 구조가 ‘밸리’ 전하 자유도 저장도 가능한 것을 확인했다. 밸리 자유도는 전자의 운동량은 다르나 에너지는 같은 경우를 뜻한다. 반도체의 자유도는 새로운 정보를 저장할 수 있는 역할을 한다. 연구팀이 개발한 구조는 모든 층의 2차원 반도체 소재가 밸리 자유도를 가진다. 층마다 정보를 저장해 2가지 이상 값을 동시에 나타내거나 병렬 연산이 가능한 양자 정보를 저장할 수 있다. 연구팀은 초격자의 반복 횟수에 따라 저장되는 양자 정보가 비례하고 정보가 그대로 남아 있음도 확인했다.

 

조 부연구단장은 “2차원 반도체 초격차 구조는 현대 전자 소자 또는 광소자 반도체 기술에 새로운 방향성을 제시할 것”이라며 “향후 차세대 양자컴퓨팅 소자의 원천 기술 중 하나가 될 수 있다”고 말했다.

 

연구결과는 16일 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 실렸다.

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