[쿠키과학] '상온 한계' 넘은 양자광원 기술... 양자컴퓨터·통신 상용화 앞당긴다

상온에서 2차원 반도체 발광 효율을 130배 높여 밝고 안정적인 양자광원을 구현하는 기술이 나왔다.

기초과학연구원(IBS) 다차원탄소재료연구단 서영덕 부연구단장과 포스텍 물리학과 박경덕 교수팀은 나노구조를 활용해 엑시톤을 정밀 제어함으로써 상온에서도 고효율로 빛을 내는 양자광원 구현에 성공했다고 14일 밝혔다.

엑시톤은 반도체 내부에서 전자와 정공이 결합한 준입자로, 빛을 방출하는 핵심 역할을 한다. 

특정 위치에 갇힌 '국소화 엑시톤'은 안정적인 발광이 가능해 양자광원으로 활용하지만, 상온에서는 열에너지로 인해 쉽게 확산하고 물질 내 과잉 전하 탓에 효율이 급격히 떨어지는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 2차원 반도체 이황화몰리브덴 아래에 지름 500nm 크기 나노홀 구조를 도입했다. 

나노홀은 움푹 파인 그릇처럼 작용해 엑시톤이 자연스럽게 중심으로 모여 한 점에 머물도록 유도하는 역할을 한다.

이를 드리프트-확산 모델로 시뮬레이션한 결과 나노홀 영역 약 98%에서 엑시톤을 효과적으로 가두는 구속 효율을 확인했다.

아울러 연구팀은 300℃ 진공 열처리 공정을 통해 반도체와 금 기판 사이에 자연적으로 형성됐던 2nm 두께 물 분자층을 제거했다. 

이 층은 그동안 전하 중성화를 방해하는 유전체 장벽 역할을 했다.

이를 제거하자 과잉 전자가 금 기판으로 빠져나가며 전하가 중성화됐고, 엑시톤이 트라이온으로 변해 에너지를 잃는 비발광 경로를 차단했다.

그 결과 2차원 반도체 광발광 양자효율은 기존 0.076%에서 10%로 130배 향상했다. 

이는 현재 QLED TV에 사용하는 양자점에 준하는 밝기와 안정성이다. 

특히 나노홀 구조는 기존 반도체 웨이퍼 공정과 호환이 가능해 크기와 배열을 조절하는 것만으로 발광 파장과 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.

이번 연구는 상온에서 단일광자를 만드는 광원으로 발전할 수 있는 중요한 기술적 전환점을 마련했다. 

또 향후 나노홀 구조를 100nm 이하로 더 축소하면 양자통신과 양자컴퓨팅의 핵심 요소인 상온 단일광자 발생원 구현도 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구에 제1저자로 참여한 포스텍 문태영 석박통합과정은 "빛을 내는 입자를 한 점에 모아 가두는 방식으로 상온에서도 밝은 양자광원을 구현한 것이 핵심"이라며 "이 구조는 다양한 광양자 소자로 확장할 수 있는 기반이 된다"고 설명했다.

서 부연구단장은 "2차원 반도체에서 빛이 만들어지고 사라지는 과정을 정밀하게 제어해 성능을 크게 끌어올렸다"며 "상온 단일광자 발생원 구현을 목표로 후속 연구를 이어가겠다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 지난달 13일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
(논문명: 2차원 반도체 내 전하 중성화된 0차원 양자우물을 통한 상온 국소화 엑시톤의 고효율 발광(Highly radiative emission of room-temperature localized excitons enabled by charge-neutralized 0D quantum wells in 2D semiconductors))