2차원 소재 차곡차곡 쌓아 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인한다- IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단, 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조 성장법 최초 구현

2차원 소재 차곡차곡 쌓아 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인한다- IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단, 원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조 성장법 최초 구현

보도일 2021-07-19 10:54연구단명 원자제어 저차원 전자계 연구단

 

 

 

2차원 소재 차곡차곡 쌓아 새로운 인공 물질을 자유자재로 디자인한다

- IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단,  원자층 두께의 2차원 반도체 초격자 구조 성장법 최초 구현 -

 

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

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

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) 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. 

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.

[붙임] 1. 연구 추가설명  2. 그림설명  3. 연구진 이력사항

 

연 구 추 가 설 명

 

 

논문

Heteroepitaxial van der Waals semiconductor superlattices 

저널

Nature Nanotechnology (2021)

저자

Gangtae Jin, Chang-Soo Lee, O. F. N. Okello, Suk-Ho Lee, Min Yeong Park, Soonyoung Cha, Seung-Young Seo, Gunho Moon, Dong-Hwan Yang, Cheolhee Han, Hyungju Ahn, Jekwan Lee, Hyunyong Choi, Jonghwan Kim, Si-Young Choi, Moon-Ho Jo

연구내용

보충설명

2차원 반도체 (2-dimensional semiconductors)는 독립적 원자층들이 층간 약한 반데르발스 상호작용으로 구성되는 반도체 신물질을 말한다.

- 본 연구에서 사용한 2차원 반도체 물질은 전이 금속 원자 하나와 칼코겐 원자 두 개가 붙어 있는 층상 구조를 가지는 화합물이다. 이황화몰리브덴 (MoS2), 이황화텅스텐 (WS2), 이셀레늄화텅스텐 (WSe2) 등이 이에 해당된다.

- 2차원 반도체 초격자는 1980년대 Bell Labs에서 처음 제안되었다. 이후 전 세계적인 반도체 양자 소자 연구를 견인한 GaAs/AlGaAs 공유결합 초격자와는 근본적인 차별성을 가지고 있다. 특히 이들은 (1) 공유결합 결정구조의 결맞음 제한으로부터 자유로이 다양한 결정구조를 가지는 구성 물질을 선택할 수 있으며, (2) 단위 원자층 간의 결정 방위의 조절과 (3) 층간 반데르발스 틈 조절을 통한 초격자 전자구조의 변조가 조절되는 새로운 저차원 양자 반도체 플랫폼이 될 수 있다.

연구 이야기

[연구 배경] 

차세대 반도체 신물질로 주목받는 2차원 층상 물질은 층간 약한 반데르발스 상호작용과 층 내부 강한 공유 결합에 의한 비등방성이라는 특징이 있다. 이런 새로운 2차원 반도체 물질의 초격자 구조는 일반적인 3차원 방향으로 공유 결합을 갖는 반도체 초격자 구조와는 (예시: GaAs/AlGaAs, Si/Ge 초격자) 근본적으로 다른 물리적 현상을 기대할 수 있다. 따라서 2차원 재료에서 이런 초격자 구조를 구현하는 것은 중요한 주제이다.

 

[어려웠던 점] 

원자층을 쌓을 때 성장에 대한 열역학, 핵생성 동역학 제어에 대한 어려움이 있었다. 이는 물질 간 상이한 증착 조건 반복으로 인한 층간의 원자 확산 문제, 비교적 작은 결정립에서 기인한 결정립계에서의 불균일 증착 등으로 나타났다.  이것을 해결하기 위해 안정한 결정립계를 가진 결정 방향이 특정 방향으로 배향된 고결정성 (highly crystalline) 박막을 이용했다. 이로써 결정 성장에 있어 핵생성 (nucleation)이 되는 데 필요한 에너지를 균일하게 만들었다. 바로 이것이 원자층 수준에서 단일층 2차원 반도체 박막의 반복적 성장에 중요한 역할을 하였다.

[성과 차별점] 단위 원자층 수준에서 반복되는 주기와 물질이 조절 가능한 2차원 반도체 초격자 구조를 성장한 것은 본 연구팀이 세계 최초이다. 금속유기화학증착법과 고결정성 2차원 박막 기판을 이용하여 보편적인 2차원 반도체 초격자 구조 성장법을 제시하였고, 2차원 신물질 성장 분야에 새로운 지평을 열었다.또한, 해당 2차원 반도체 초격자 구조를 이용하여 단위 원자층 이차원 반도체에서만 나타나는 새로운 양자 정보인 밸리 자유도를 저장할 수 있음도 보였다. 이는 본 성과가 양자 반도체 소재로도 이용될 수 있음을 시사한다. 즉, 신물질의 양자 반도체 소자 분야 응용에 중요한 원천 기술을 확보한 것이다.

 

[향후 연구계획] 

훨씬 더 복잡한 20층 이상 초격자 대면적 증착을 위해 완전한 단결정 (single-crystalline) 2차원 반도체 박막을 만드는 연구를 진행하고 있다. 결함이 없는 2차원 반도체 박막 및 초격자 구조를 구현함으로써 본질적인 2차원 반도체 초격자 구조의 특성에 대해 알아보고자 한다. 즉, 본 성과를 2차원 반도체 초격자 구조에서의 고유한 양자 상태 현상 연구를 위한 플랫폼으로 발전시킬 예정이다.

 

 

그   림   설   명

 

[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.

 

[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.

 

[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.

 

연구진 이력사항

 

<조문호 부연구단장, 교신저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단

           포항공과대학교 신소재공학과

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2018-현재 포항공과대학교 무은재 석좌 교수  

 ○ 2015-현재 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 부연구단장

 ○ 2004-현재 포항공과대학교 신소재공학과 조교수/부교수/교수

 ○ 2001-2004 미 하버드대학교 박사후연구원

 

 

 

 

<진강태 박사후연구원, 공동 제 1저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2021-현재 기초과학연구원(IBS) 원자제어 저차원 전자계 연구단 박사후연구원

 

 

 

 

 

<이창수 연수학생, 공동 제 1저자> 

 

1. 인적사항

 ○ 소 속 : IBS 원자제어 저차원 전자계 연구단

           포항공과대학교 신소재공학과