[과학을 품다] 3차원 반도체 소자 구현…양자컴퓨터 시대 앞당긴다
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[과학을 품다] 3차원 반도체 소자 구현…양자컴퓨터 시대 앞당긴다
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.07.28 12:00
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국내 연구팀, 원자 두께 ‘멤브레인 반도체’ 3차원 구현
기판에서 분리돼 물에 떠 있는 멤브레인 반도체(왼쪽). 전자현미경으로 멤브레인 반도체를 촬영한 것(가운데)과 돌기 한 개의 말단 부분을 촬영한 사진(오른쪽).[사진= IBS]
기판에서 분리돼 물에 떠 있는 멤브레인 반도체(왼쪽). 전자현미경으로 멤브레인 반도체를 촬영한 것(가운데)과 돌기 한 개의 말단 부분을 촬영한 사진(오른쪽).[사진= IBS]

원자 두께의 3차원 ‘맴브레인’ 반도체 소자가 개발됐다. 두께가 거의 없는 2차원 반도체는 투명하고 전기전도도가 높다. 차세대 초소형, 저전력 전자기술의 후보로 꼽힌다. 이 같은 2차원 반도체를 실리콘 기판에서 분리하면 유연한 막이 된다. 이를 ‘멤브레인(membrane) 반도체’라 부른다. 2차원 반도체가 기판에서 분리된 상태의 막(membrane)처럼 얇고 유연한 반도체를 일컫는다. 원자 두께 반도체 표면에 돌기가 돋은 형태의 신소재가 나온 것이다. 앞으로 양자컴퓨터 메모리 소자로 활용될 가능성이 크다.

2차원 반도체를 접거나 구부려 입체감을 주면 기존과 다른 독특한 성질이 나타난다. 지금까지 2차원 반도체의 균일한 대(大)면적 합성은 평면 형태로만 가능했다. 극도로 얇은 두께로 굴곡 부분이 찢어지거나 구겨져 불완전했기 때문이다.

연구팀은 멤브레인 반도체를 입체 구조로 만들기 위한 연구를 진행했다. 우선 10nm(나노미터, 1nm는 10억 분의 1m) 크기의 바늘 모양 돌기들이 규칙적으로 정렬된 지름 4인치 크기 기판을 제작했다. 그 위에 유기금속화학증착법을 이용해 24시간 정도 천천히 이황화몰리브덴(MoS2)을 증착시켰다. 그 결과 몰리브덴(Mo) 원자 1개와 황(S) 원자 2개가 정확히 층을 이뤄 균일한 두께로 기판 위에 대면적 멤브레인 반도체를 만드는 데 성공했다. 2차원 반도체의 X-Y축 평면에 Z축 성분인 돌기를 더해 3차원이 된 것이다. 이는 세계 최초의 3차원 원자층 반도체다. 원자층 반도체에 3차원으로 변형을 가하면 새로운 기능을 부여할 수 있어 효용이 크다.

연구팀은 개발한 3차원 멤브레인 반도체를 양자컴퓨터 기술로 발전시킬 가능성을 탐색하고 있다. 반도체에 굴곡을 가하면 단일광자(물질이 빛을 받아 높은 에너지 상태에 도달했다가, 다시 안정되면서 특성이 같은 광자들을 방출하는 현상)가 나오는 것으로 알려져 있다. 단일광자는 양자컴퓨터의 정보 저장 단위인 큐빗(qubit) 후보 중 하나다. 광자의 성질에 따라 양자 정보를 담을 수 있기 때문이다.

개발된 반도체는 접착메모지처럼 간단히 떼었다 붙였다 할 수 있는 것도 장점이다. 보통 증착 방식으로 만든 반도체는 실리콘 기판과 강한 결합을 이루고 있으므로 산성 약품을 이용해 떼어내는 것이 일반적이다. 연구팀이 사용한 이황화몰리브덴(MoS2)은 기판과 약하게 결합하기 때문에 간단히 물에 담가 기판에서 떼어낼 수 있다. 떼어낸 멤브레인 반도체는 새로운 기판이나 플라스틱, 인체 피부 등 다양한 표면에 붙일 수 있다.

이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 원자 제어 저차원 전자계 연구단 조문호 부연구단장(POSTECH 신소재공학과 무은재 석좌교수) 연구팀이 수행했다.

조문호 부연구단장은 “구조적으로 변형이 일어난 반도체에서 단일광자가 나온다는 보고가 있었는데 어디서 어떻게 나오는지는 알려진 바 없다”며 “개발한 멤브레인 반도체는 광자가 나오는 지점을 조절하는 연구에 쓰일 수 있어 앞으로 양자컴퓨팅 소자 기술로 연결될 수 있다”고 설명했다.

연구 성과는 세계 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)지 7월 27일 자(논문명: Atomically Thin Three-Dimensional Membranes of van der Waals Semiconductors by Wafer-Scale Growth) 온라인에 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

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