다이아몬드 동위체로 ‘전자 가두기’에 성공
○ 다이아몬드 동위체로 적층 나노 박막 합성에 성공 ○ 단독재료(호모재료)로는 최초로 전자․홀 가두기에 성공 ○ 초고속 디바이스 등 새로운 양자 기능 소자로의 응용 기대
일본 산업기술종합연구소(AIST) 다이아몬드 연구센터 시카다 신이치(鹿田眞一)와 와타나베 유키(渡邊) 등은 질량이 다른 12C와 13C의 동위체 탄소를 이용하여 나노 크기의 적층박막 다이아 몬드의 기상합성에 성공하였으며, 이 다이아몬드를 단독재료(호모재료)로 ‘전자․홀 가두기’에 최 초로 성공하였다.
다이아몬드는 경도, 열전도율의 크기, 광투과 파장대의 넓이, 화학적 안정성 등에 있어 물질 중 최고 성능을 가지며, 또 반도체로서도 절연파괴전계 및 이동도 등에서 매우 좋은 특성을 갖기 때 문에 기계응용, 광학부품 외 전기화학, 반도체 디바이스 등으로의 응용이 기대되며, 파워 디바이 스 및 양자 컴퓨터 재료로서 높은 성능이 예측되는 등 최근 주목을 받고 있다. 그러나 반도체로 서의 성능이 알려지지 않은 부분도 많아 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 연구에서는 탄소동위체인 12C 또는 13C만을 함유한 메탄가스(CH4)를 원료로 마이크로파 플 라즈마 CVD를 채용한 기상법(氣相法)으로 다이아몬드를 합성했다. 12C만으로 된 다이아몬드와
13C만으로 된 다이아몬드를 30 nm 두께의 박막으로 교대로 25층 쌓아올린 적층구조(초격자구조) 를 제작했다. 이 적층구조에 전자선을 조사하여 전자․홀 재결합을 측정한 결과, 12C 층에서만 재 결합이 발생하여 전자․홀이 갇히는 것을 발견했다. 종래, 전자․홀 가둠은 이종(헤테로) 재료 (GaAs와 AlGaAs, InGaAs와 InP 등)의 조합으로만 실현되었는데, 이번 연구에서 단독 재료로는 최초로 전자․홀의 가두기에 성공했다. 단독재료로도 반도체 밴드 공학을 이용한 구조설계가 가 능하게 되고 초고속 디바이스, 양자기능 디바이스 개발을 위한 효과적 수단을 얻게 된 것이다.
본 연구 성과는 뺷Science뺸 온라인판(2009. 6. 12)에 게재되었다(※ 발표논문참조).
￭ 연구내용
본 연구에서는 마이크로파 플라즈마 CVD를 채용한 기상성장으로 다이아몬드를 합성하는 방법 을 이용했다. 원료 가스로 메탄(CH4)과 수소(H2)를 이용하지만 이 메탄의 원료를 동위체인 12C만 으로 이루어진 12CH4로 하면 12C만으로 된 다이아몬드를 성막할 수 있고, 13C만으로 이루어진
13CH4로 하면 13C만으로 된 다이아몬드를 성막할 수 있다. 이들을 30 nm 두께의 박막으로 교대로 25층을 적층하여 초격자구조를 제작했다. 다이아몬드로 이러한 나노 크기의 초격자를 제작한 것 은 이것이 처음이다.
이 박막구조에 전자선을 조사해서 실험자료 내에 전자․홀을 발생시켜 그 소멸 과정(재결합)
신 기 술 소 개
44 공업화학 전망, 제12권 제4호, 2009
을 측정한 결과, 12C만으로 된 다이아몬드 층에만 재결합이 발생하여 전자․홀이 갇히는 것을 발 견했다. 비교를 위해 나노 크기의 막을 한 층만 적층하여 측정한 바, 12C 및 13C의 다이아몬드 층 양쪽에 재결합이 일어난 것을 확인할 수 있었다. 이 두 다이아몬드 층의 에너지 차이(밴드갭 차) 는 약 20 meV였는데, 이는 전자․홀이 13C다이아몬드로부터 에너지가 낮은 12C다이아몬드로 이 동하여 전자․홀이 갇힌 것을 나타낸다.
종래 이러한 ‘전자․홀 가둠’은 될 수 있는 한 격자정수가 가깝고 에너지가 다른 헤테로 접합에 의한 초격자에만 실현되었다. 고속트랜지스터 HEMT (high electron mobility transistor) 또는 반도 체 레이저는 이 원리를 이용해서 설계⋅제조된 반도체 디바이스로 매우 중요하다. 지금까지의 호모 접합(동종재료)에서는 이러한 ‘가둠’은 불가능했는데 본 연구에서 가능케 된 것은 다이아몬드 동위 체 에너지 차가 비교적 크기 때문이다. 호모접합은 같은 결정이기 때문에 접합 계면 등에서 전자․
홀의 재결합이 발생하는 일이 없어 다양한 디바이스 구조를 쉽게 제작할 수 있는 큰 이점이 있다.
※ 발표논문: H. Watanabe, C. E. Nebel, S. Shikata, "Isotopic Homojunction Band Engineering from Diamond", Science, 12 June 2009 | DOI: 10.1126/science.1172419
Figure 1. 마이크로파 플라즈마 CVD장치에서 기상합성 중일 때 다이아몬드와 합성 후 다이아몬드의 사진.
출처: AIST 2009.06.12 (www.aist.go.jp) 소 대 섭 (KISTI)
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