국내 연구진이 양자컴퓨터 소자의 핵심 소재인 이차원 묽은자성반도체 한계를 극복하는 방안을 제시했다.

성균관대는 이영희 교수(에너지과학과)팀이 이차원 묽은자성반도체 자성특성 향상에 성공했다고 7일 밝혔다.

묽은자성반도체는 모태 반도체에 자성불순물을 주입해 자석과 같은 강자성을 나타내며 전하와 스핀을 동시에 제어할 수 있다. 따라서 이는 양자컴퓨터 및 초저전력 반도체 스핀트로닉스 논리소자의 핵심 소재로 기대를 받고 있다.

최근 상온 이상에서 퀴리온도(강자성체가 자성을 잃어버리는 온도) 특성을 나타내는 이차원 묽은자성반도체(V-doped WSe₂)의 합성에 성공해 스핀전자소자 분야에 전환점을 가져왔다. 그러나 자성불순물 주입농도의 한계에 따라 낮은 자기력 및 동일한 자성불순물 주입농도에서도 자성특성이 변화해 산업응용에 큰 문제점으로 간주돼 왔다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 성균관대 에너지과학과와 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 연구팀은 V-doped WSe₂ 내부에 셀레늄(Se) 결함의 자성특성 영향을 분석했다. 이를 통해 이차원 자성반도체를 제어하고 자기력 및 퀴리온도를 향상시키기 위한 연구를 진행했다.  

연구팀은 열처리 온도에 비례해 셀레늄 결함농도가 증가함을 투과전자현미경 원자구조 분석으로 확인했다. 이를 통해 대다수의 셀레늄 결함이 자성불순물인 바나듐과 결합해 클러스터 형성을 관측했다. 바나듐 자성불순물은 셀레늄 결함과 결합했을 때 자기력이 5배까지 증가했으며 바나듐의 스핀공간분포면적이 확장돼 퀴리온도가 향상하는 주원인임을 이론적 계산으로 확인했다. 

연구팀이 밝혀낸 자성반도체내 점결함의 자성특성 영향력은 자성불순물 농도와 함께 점결함의 농도 및 분포형태가 자성특성에 영향을 준다는 것을 입증했다. 이로써 그간 제기됐던 재현성 문제나 불순물 주입농도 한계에 따른 자기력 향상의 한계를 극복할 수 있는 방안을 제시했다. 

이 교수는 "자성반도체는 차세대 미래소자의 핵심물질 후보군으로 큰 잠재력이 있었지만, 재현성 및 낮은 자기력한계 때문에 현재까지 산업적으로 응용된 예가 없었다"면서 "하지만 이번 연구를 통해 이런 난제를 극복할 방안을 제시해 실제적인 활용에 혁신을 이끌 것으로 기대한다"라고 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF = 30.849)'에 2021년 12월 온라인 게재됐다.