서강대-성균관대 공동연구팀, 도핑된 퀀텀닷 반도체 합성 기술 개발

- 2023년 노벨화학상 수상한 퀀텀닷 소재의 전기적 특성 제어기술 발표

2023년도 노벨 화학상은 “퀀텀닷(quantum dot)의 발견과 합성”에 대한 공로를 인정받은 문지 바웬디, 루이스 브루스, 알렉세이 에키모프 3명이 수상하였다. 퀀텀닷은 수 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 매우 작은 반도체 결정으로, 미세한 크기 조절로 소재로부터 방출되는 빛의 색상을 자유롭게 조절할 수 있는 차세대 반도체 소재이다. 이러한 특성을 토대로 퀀텀닷은 밝고 선명한 영상을 제공하는 디스플레이 장치로 현재 산업화되었고, 더 나아가 가상현실/증강현실용 영상장치, 양자 센싱 적용을 통한 확장이 기대되고 있다.

그러나 현재까지 퀀텀닷은 반도체임에도 불구하고 그 전기적 극성(전자이동에 기초한 n형 반도체 극성과 정공 이동에 기초한 p형 반도체 극성)을 제어하는 기술이 부족한 상황이다. 다양한 반도체 장치들이 기본적으로 p형 반도체와 n형 반도체의 조합으로 이루어짐을 고려할 때, 퀀텀닷 반도체의 전기적 극성을 조절하는 것은 매우 중요한 과제 중 하나이다.

서강대학교 화공생명공학과 강문성 교수 연구팀(제1저자 윤종일 연구원 22.8 석사졸업, 현 삼성전자), 성균관대학교 에너지과학과 정소희 교수(공동 제1저자 김효인 연구원), 성균나노과학기술원 박지상 교수 공동연구팀은 도핑 기술(반도체에 이종원소를 도입하는 기술)을 통해 퀀텀닷 반도체 극성을 원하는대로 제어할 수 있는 기술을 발표하였다고 11일 전했다. 이번 연구는 이미 제조된 퀀텀닷 반도체에 복잡한 후처리를 통해 이종 원소를 도핑하는 기존 기술과 달리, 퀀텀닷의 결정을 성장시키는 합성의 과정에서부터 이종원소(아연)를 도입하는 단순화된 도핑 기술을 최초로 개발하였다는 점에서 의의가 있다.

이 도핑 기술을 통해 합성된 p형 소재는 지금까지 보고된 p형 InAs 퀀텀닷 반도체 중 가장 우수한 전기적 특성를 보이며, 연구진은 p형과 n형 전기적 특성을 갖는 퀀텀닷 반도체를 사용하여 논리 소자를 제작하는 데 성공하였다.

공동연구진은 본 연구 결과에 대해 “수 나노미터의 크기에 불과한 미세한 반도체 결정에 이종원소를 정밀하게 도입하는 매우 난해한 기술을 성공한 것에서 학문적 의의를 인정받았다고 생각하며, 특히나 개발한 InAs 퀀텀닷 반도체는 산업계에서 많은 관심을 갖고 있는 소재인 만큼 차세대 고성능 적외선 장치 개발에 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다”라고 전했다.

본 연구는 대한민국 미래창조과학부가 지원하는 한국 연구재단의 미래소재디스커버리 사업, 중견 연구 사업, 삼성 미래기술 육성사업의 지원으로 수행되었으며, 2023년 11월 10일 국제 학술지 ‘사이언스 어드벤시스’ (Science Advances, 2022년 피인용지수 13.6)에 게재되었다. 

-논문링크 : DOI: 10.1126/sciadv.adj8276

-논문제목 : P- and N-type InAs nanocrystals with innately controlled semiconductor polarity