원자만 한 두께의 2차원 반도체를 쌓아 초격자 구조 구현 성공... 양자컴퓨터 소자로 사용 가능

반도체는 우리나라 산업에서 큰 부분을 차지하고 있다. 산업부에서 제공하는 자료에 따르면 우리나라 반도체 수출 및 전체 수출에서 차지하는 비중은 10.2%에서 시작해 계속 증가하여 2018년에 20.9%로 최고점을 찍은 후 2021년에는 약 20%를 계속 유지 중이다. 심지어 최근에는 산업 현장에서 반도체 수요가 폭발적으로 늘어나면서 반도체 공급량 부족 현상까지 보이고 있는 추세이다.

이렇게 우리나라에서도 많은 관심을 받고 있고, 해외에서도 역시 많은 관심이 쏠리고 있는 반도체의 기본적인 원리는 무엇일까? 쉽게 말해 반도체는 "반+도체=반도체" 즉, 반은 도체고 반은 부도체인 성질을 동시에 갖는 물질을 말한다. 반도체가 이러한 성질을 갖게 되는 이유는 '전자 띠'로 설명이 가능하다. 

     [이미지 제작=대한민국청소년기자단 한건호 대학생기자]

그림처럼 여러 개의 원자(Si, Ge or Sn 등)들이 무수히 많이 결합하게 되면 전도대와 가전도대라는 영역이 생기게 되고, 그 둘 사이의 에너지 차이를 나타내는 '밴드갭'이 생기게 된다. 이 밴드갭이 너무 크면 부도체, 작으면 도체의 성질을 갖게 되는데, 적당한 밴드갭을 갖게 되면 특정 조건 하에서 전류가 흐르게 되는 반도체의 성질을 띠게 되는 것이다.

국내에선 이렇게 관심이 많은 반도체에 관한 연구가 활발히 진행 중이다. 지난 7월 19일, 조문호 기초과학연구원(IBS) 원자제어 자찬원 전자계 연구단 부연구단장(포스텍 신소재공학과 교수) 연구팀은 서로 다른 원자층을 갖는 반도체들을 쌓는 물질 성장법을 개발했다고 밝혔다. 서로 다른 원자들의 배열을 인위적으로 조작하여 층(약 수 나노미터, nm=10억 분의 1m)을 이루도록 쌓은 구조를 '반도체 초격자'라고 하는데, 기존에는 반도체 물질 층 사이 사이에 약한 공유결합이 생겨 막들이 균일하게 쌓이지 않아 3층 이상 쌓는 것이 불가능하였다. 

하지만 이번 연구를 통해 접합 기술을 연속으로 사용하여 원자층을 9층까지 반복되게 한 반도체 초격자 구조를 처음 구현하는 데 성공하였다. 금속 박막을 만드는 '금속유기화학증착법'을 통해 여러 반도체들의 종류와 순서를 통제하여 쌓는 기술을 개발한 것이다. 이 방법은 층마다 원자의 종류와 주기를 설정할 수 있어 새로운 물질을 자유롭게 디자인할 수 있다. 

이렇게 디자인한 구조는 모든 층의 2차원 반도체 소재가 층마다 정보를 저장하여 2가지 이상의 값을 동시에 나타내거나 병렬적으로 연산이 가능한 양자 정보를 저장할 수 있다. 이 구조는 향후 차세대 양자컴퓨팅 소자의 원천 기술 중 하나가 될 수 있는 가능성이 있다. 

연구 결과는 16일 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 실렸다.

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=3기 대학생기자 한건호]