반도체 초격자¹⁾서로 다른 원자의 주기적 배열을 인위적으로 조절해 합성한 것이다. 이는 고성능 반도체, 레이저, 디스플레이 산업에 널리 활용된다. 대표적으로 LED(발광다이오드) 기술은 질화갈륨 등 화학물질을 수 나노미터 층으로 반복 구성한 초격자 구조를 통해 완성됐다.

그런데 기존 초격자 구조 소재는 강한 공유 결합으로 인해 2차원 반도체에는 활용되기 어려웠다. 여러 반도체 중 두께가 거의 없는 2차원 반도체는 초소형·저전력 전자기기 구현의 핵심 소재로 꼽힌다. 하지만 이제까지 층간 약한 상호작용으로 2차원 반도체를 원자 단위에서 두 종류 이상 쌓아 제어하는 기술은 구현되지 못했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 원자제어 저차원 전자계 연구단 조문호 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀은 서로 다른 원자층 반도체를 차곡차곡 쌓는 물질 성장법을 개발했다. 이로써 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조를 가진 신물질을 세계 최초로 구현했다. 따라서 새로운 양자 정보 반도체 플랫폼을 제시하며 양자컴퓨팅 원천 기술 확보를 앞당길 것으로 기대된다.

이미 2차원 반도체 물질을 두 층의 단일 접합을 통해 만드는 기술은 알려졌다. 하지만, 층과 층 사이에 약한 공유 결합으로 인해 박막이 균일하게 쌓아지지 않아 3층 이상으로 쌓는 기술은 불가능했다. 이번 연구에서는 접합 기술을 연속으로 사용, 서로 다른 원자층 반도체가 9층까지 반복되는 반도체 초격자 구조를 처음으로 구현했다. 연구진은 금속유기화학증착법²⁾을 이용하여 2차원 반도체인 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2), 이셀레늄화텅스텐(WSe2) 등을 종류와 순서를 제어하여 쌓아 새로운 구조를 가진 인공 반도체 소재를 개발해냈다.

연구진이 개발한 2차원 반도체 초격자 구조 성장법을 이용하면 원자층 수준에서 원자 종류와 주기의 인위적 제어가 가능하다. 이는 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인함으로써, 다양한 전자 구조를 갖는 반도체 기술로 이어질 수 있다.

나아가 연구진은 밸리(valley)³⁾라는 전하의 새로운 자유도 저장도 확인했다. 밸리는 2차원 반도체 초격자 구조에서 양자 정보의 매개체로 이용될 수 있다. 모든 단일층의 2차원 반도체 소재는 밸리 자유도를 가져서 2가지 이상 값을 동시에 나타내거나 병렬 연산이 가능한 양자 정보를 저장할 것으로 기대되었다. 이번 연구를 통해 초격자의 반복 횟수와 저장되는 양자 정보가 비례하고, 이 정보가 남아 있음을 확인했다. 이로써 새로운 반도체 초격자가 양자 정보 연산이 가능한 양자 반도체 플랫폼에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

교신저자 조문호 부연구단장은 “2차원 반도체 초격자 구조는 현대 전자 소자 또는 광소자 반도체 기술에 새로운 방향성을 제시할 것이다.”며 “향후 차세대 양자컴퓨팅 소자 분야의 원천 기술 중 하나가 될 수 있다”고 언급했다.

이번 연구는 세계적 학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF=39.213)誌에 7월 16일 게재됐다.

[그림1] 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. HAADF_STEM. 이황화몰리브덴(MoS2). 이황화텅스텐(WS2). EDX. W. Mo. 단위: 2 나노미터.
[그림 2] 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. 1) real space view. 2) momentum space view. 3) x: Pump-probe delay(ps). y: Circular dichroism(10^(-3))
[그림 3] 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.

1) 초격자(superlattice):두 종류 이상의 물질이 주기적인 층을 이루고 있는 구조를 말한다. 일반적으로 각 층의 두께는 수 nm (나노미터․ 1nm는 10억 분의 1m) 정도이다.

2) 금속유기화학기상증착법: 진공 상태에서 기판을 넣고 증기압이 높은 유기 금속 화합물의 증기들의 화학 반응을 이용하는 박막 형성법. 고품위의 박막을 대량 생산할 수 있는 방법이다.

3) 밸리 자유도(valley degree of freedom): 어떤 물질에 운동량은 다르지만 같은 에너지 가지는 2개의 밸리가 존재하면 그 물질의 전자는 밸리 자유도를 가진다고 할 수 있다.