국내 연구팀이 기존 실리콘 전자보다 100배 이상 빠른 초고속 광전소자를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이현석 연구위원 연구팀은 2차원 반도체 물질로 제작한 단일층 트랜지스터 위에 은 나노선을 연결해 복합소자를 만드는데 성공했다.

전자의 이동속도가 갖는 물리적 한계 때문에 기존의 실리콘 전자소자의 정보처리 속도로는 늘어나는 데이터를 감당하기 어렵다. 또 발열과 전력소모가 심하다.

광전소자의 성능을 실리콘 전자소자 수준 이상으로 높이려면 우선 소자의 크기를 나노미터(㎚·10억 분의 1m) 수준으로 줄여 집적도를 높여야 하지만 이 경우 빛이 회절한계에 부딪쳐 성능이 떨어진다.

개발된 복합소자는 빛을 엑시톤(exciton)이나 플라즈몬(surface plasmon)으로 자유롭게 전환시켜 회절한계를 극복했다. 엑시톤은 반도체 내 전자와 정공이 정전기력으로 인하해 결합돼 있는 전자-정공 쌍을 말하며 표면플라즈몬은 유전체와 금속의 경계면을 따라 존재하는 광자와 금속 표면의 고밀도 전하 분포가 상호작용을 이뤄 생성되는 근접장을 일컫는다.

2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤이 만들어지고 그 순간 광자가 방출된다. 이 광자가 지름 200㎚(나노미터), 길이 수십 마이크로미터(㎛)의 은 나노선의 표면 플라즈몬으로 전환돼 나노선을 따라 지나가게 된다. 플라즈몬 광신호는 건너편 2차원 반도체 소자에 전달돼 다시 엑시톤이 생긴다. 이 엑시톤은 다시 플라즈몬으로 변환되는 과정이 반복되며 정보를 담은 광신호가 전자의 움직임보다 빠르게 전달된다.

연구팀은 엑시톤-플라즈몬 간 상호변환뿐만 아니라 2차원 반도체 물질 간 광에너지의 흡수, 발광, 변환에 의한 파장 변환과 다중화 구조를 밝혔다. 또 은 나노선의 고효율 표면 플라즈몬 도파로 광통신회로에 필요한 엑시톤 트랜지스터, 엑시톤 파장 다중화장치, 고효율 플라즈몬-전기신호 변환기 등 나노광전소자회로 구성의 필수 요소들을 상온에서 구현했다.

개발된 반도체는 대면적 제작이 용이하고 엑시톤 발광의 전기적 제어가 가능해 차세대 광전소재로 적합하다. 이번 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 11월 28일자에 게재됐다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com