양자컴퓨팅 구현 성큼···원자층 반도체 쌓는 '물질 성장법' 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 양자컴퓨팅 원천 기술 확보를 앞당길 2차원 반도체 신물질을 만들었다.

기초과학연구원(IBS)은 조문호 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장 연구팀이 서로 다른 원자층 반도체를 쌓는 물질 성장법을 개발했다고 19일 밝혔다.

조문호 기초과학연구원 부연구단장.(사진=기초과학연구원)

반도체 초격자는 두 종류 이상의 물질이 층을 이루며, 주로 고성능 반도체, 레이저, 디스플레이 산업에 쓴다. LED(발광다이오드) 기술이 질화갈륨 등 화학물질을 수 나노미터 층으로 반복 구성해 만든 사례이다.

그러나 기존 초격자 구조 소재는 강한 공유 결합 때문에 2차원 반도체에 쓰기 어려웠다. 2차원 반도체 물질을 두 층으로 접합해 만드는 기술이 알려졌지만 층 사이 결합이 약해 박막이 균일하게 쌓이지 않으면서 3층 이상 쌓지 못했기 때문이다.

연구팀은 접합기술을 연속으로 사용하면서 서로 다른 원자층 반도체가 9층까지 반복되는 반도체 초격자 구조를 만들었다.

우선 진공 상태에서 기판을 넣고 증기압이 높은 유기 금속 화합물의 증기들의 화학 반응을 이용하는 박막 형성법인 금속유기화학증착법을 이용해 2차원 반도체인 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐, 이셀레늄화텅스텐 등을 종류와 순서를 제어하면서 쌓아 새로운 구조를 가진 인공 반도체 소재를 개발했다.

연구팀이 개발한 2차원 반도체 초격자 구조 성장법을 이용하면 원자층 수준에서 원자 종류와 주기를 인위적으로 제어할 수 있다. 새로운 인공 물질을 자유자재로 설계하기 때문에 다양한 전자 구조를 갖는 반도체 기술로도 이어질 수 있다.

연구팀은 또 밸리(valley) 자유도 저장도 확인했다. 밸리는 2차원 반도체 초격자 구조에서 양자 정보의 매개체로 이용될 수 있다. 모든 단일층의 2차원 반도체 소재는 밸리 자유도를 가져 2가지 이상 값을 동시에 나타내거나 병렬 연산이 가능한 양자 정보를 저장할 수 있다.

조문호 부연구단장은 “2차원 반도체 초격자 구조는 현대 전자 소자나 광소자 반도체 기술에 새로운 방향성을 제시할 것”이라며 “차세대 양자컴퓨팅 소자 분야의 원천 기술 중 하나가 될 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 지난 16일자로 게재됐다.