초고속 양자터널링 광공진기 개발, 반도체입자 제어의 새로운 장을 열다

- 포스텍 박경덕 교수팀, 차세대 초고속 반도체입자 변조기 개발

초고속 양자터널링 광공진기를 통해 2차원 반도체에 존재하는 입자들의 거동을 초고속으로 전기적 변조하며 실시간으로 관찰하는 과정을 나타낸 그림. (자료제공: 포스텍)

포항공과대학교(POSTECH, 총장 김성근)는 물리학과·융합대학원 박경덕 교수 연구팀이 초고속 양자터널링 광공진기를 개발했다고 10월 23일 밝혔다. 

이를 이용해 상온에 존재하는 반도체입자를 나노스케일의 극미세 공간에서 초고속으로 변조하는 것이 가능해졌다.

반도체입자는 이차원 반도체의 광학적, 전기적 특성을 결정하는 기본 단위로, 개별 입자의 물리적 특성이 고감도카메라, LED 조명, 반도체 레이저, 태양전지 등 다양한 전자장치의 성능을 직접적으로 결정한다. 

최근에는 도핑 기술을 통해 중성 반도체입자를 극성 반도체입자로 변환하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 발생하는 스핀 특성, 방사붕괴율 변화, 결합에너지 및 수송특성 증가 등을 잘 활용하면 반도체소자의 전기특성 및 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있다. 

특히, 전기적 도핑방법은 비파괴적이면서도 매우 빠르게 극성 반도체입자로의 변환을 가능하게 하며, 산업용으로 쉽게 적용될 수 있는 장점이 있다. 하지만 기술적 한계로 인해 초고속 반도체입자 상호변환을 극미세 나노공간에서 가능하게 하는 차세대 변조기는 아직까지 구현되지 못했다.

박경덕 교수 연구팀은 금으로 제작된 나노광학안테나 탐침을 기반으로 나노스케일에서 전기적 도핑이 가능한 초고속 양자터널링 광공진기를 개발하였다. 이를 통해 단일층 이황화몰리브덴에 존재하는 중성 반도체입자와 극성 반도체입자 간 전기적 변환을 약8메가헤르츠의 주파수로 극미세 나노공간에서 실현하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 장비는 반도체입자의 초고속 능동변환과 동시에, 실시간으로 변화하는 반도체물질의 전자구조 및 광학적 특성을 초고분해능으로 관찰할 수 있다. 이를 통해 반도체입자 상호변환 과정에서 발생하는 반도체입자의 동역학적 특성과 에너지변화 등을 실험적으로 검증하였다.

논문의 제1저자인 이형우 씨는 “극성 반도체입자를 국소 공간에서 초고속으로 제어하는 새로운 플랫폼을 제시했기 때문에, 새로운 타입의 초소형 광전소자, 양자정보소자 개발에 실마리를 제공할 중요한 원천기술이 될 것”이라고 했다. 또한, 논문의 공동 제1저자인 김수정 씨는 “기존에는 불가능했던 반도체입자의 초고속 나노거동 제어와 실시간 관찰이 가능해졌기 때문에 변환 과정에 숨어있는 다양한 물리적 현상들이 규명될 것”이라고 말했다.

한편, 연구에 사용된 이차원반도체 물질의 제작은 성균관대 김기강 교수팀, 고 유전상수 산화물박막의 제작은 울산과학기술원 박형렬 교수팀이 참여했으며, 물리학과의 주희태 씨가 측정 연구를 함께 수행했다.

한국연구재단과 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 국제 학술지 ‘Nature Communications’ 온라인판에 최근 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]