국내 연구진이 2차원 반도체와 플라즈몬 소자의 장점을 결합해 다양한 광소자를 제작할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 기존 전자소자에 비해 100배 이상 빠르게 동작하는 차세대 광전소자를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.
기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이현석 연구위원과 이영희 단장 연구팀은 2차원 반도체 물질로 제작한 단일층 트랜지스터 위에 나노미터 크기의 은 나노선을 연결해 빛의 속도로 정보를 전달할 수 있는 '초고속 나노광전소자'를 개발했다고 28일 밝혔다.
기존 실리콘 기반의 전자소자는 성능 향상을 위해 지속적으로 고집적화됨에 따라 발열과 전력소모가 커져 빛을 이용한 광전소자가 차세대 소자로 주목받고 있다. 하지만 광전소자의 성능을 높이려면 소자 크기를 나노미터 수준으로 줄여 집적도를 높여야 하는데, 빛의 회절한계로 인해 성능이 떨어지는 문제가 있다.
연구팀은 이황화몰리브덴 2차원 반도체 트랜지스터 위에 지름 200나노미터 크기의 은 나노선을 지나게 해 빛을 엑시톤(전자와 정공이 정전기력으로 결합돼 있는 전자-정공의 쌍)이나 플라즈몬으로 자유롭게 전환시켜 빛의 회절한계를 극복한 나노광전소자를 개발했다.
두께가 원자 한 층 수준으로 얇고 밴드갭(전자의 에너지 차이)을 지녀 전기·화학적 특성이 우수한 2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤이 만들어지면서 광자를 방출하고, 이 광자가 은 나노선의 표면 플라즈몬으로 전환돼 나노선을 따라 반복적으로 지나면서 정보를 담은 광신호가 전자보다 빠르게 전달한다.
연구팀은 기존 양자점이나 양자우물을 활용한 저차원 광전소자와 달리 이 기술은 상온에서 동작하면서 넓은 면적에서 제작하기 쉬울 뿐 아니라 전기적 제어가 가능해 차세대 광전소재에 적용할 수 있다고 설명했다.
이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(28일자)'에 실렸다. 대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
IBS 나노구조물리연구단이 개발한 초고속 나노광전자소자의 개념도로, 빛을 엑시톤이나 플라즈몬으로 자유롭게 전환시켜 실리콘 전자소자에 비해 100배 빠르게 전자를 이동시킬 수 있다.
