[이길호 교수 연구실]조정 가능한 디락 전자 광학에 기반한 그래핀 트랜지스터 개발

[그림: (a) 그래핀 양자스위치의 작동원리를 나타낸 개략도. (b) 아래쪽 게이트 전극의 원자힘현미경 사진. 흰색 점선은 그래핀 채널의 위치를 표시함.]

포스텍 이길호 교수 연구팀은 디락 전자의 상대론적 양자현상을 기반으로 작동하는 그래핀 양자스위치를 개발하였다.

포스텍 물리학과 이길호 교수 연구팀은 미국 하버드대학교 김필립 교수 연구팀 및 미네소타 대학교, 버지니아 대학교, 콜롬비아 대학교, 그리고 일본 NIMS 연구팀과의 국제 공동연구를 통해, 고품질 그래핀에서 나타나는 디락 전자광학(Dirac electronic optics)성질을 이용하여 전류의 흐름을 제어하는데 성공했다. 이 연구는 저명 학술지인 PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America) 최신호에 게재됐다. 이번 연구에서 개발한 소자제작방법 및 소자성능평가방법은 전자의 광학적 특성을 이용하는 미래의 전자광학소자 연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

그래핀은 탄소원자 한층으로 이루어진 가장 얇은 물질로 2004년 발견된 이래로 활발히 연구되고 있는 신소재이다. 그래핀은 탄소원자가 2차원 육방정계(벌집)구조로 결합하고 있는 물질로, 이 물질에 흐르는 전자는 마치 질량이 없는 상대론적 양자입자처럼 행동하는 특이한 성질을 가진다. 따라서 대형가속기를 이용하지 않더라도 상대론적 양자입자인 디락 전자에 대한 기초연구를 할 수 있을 뿐 아니라 이를 소자개발에 응용할 수 있다는 점이 특히 흥미롭다.

국부게이트를 통해 전하 운반체의 농도뿐만 아니라 종류까지도 자유자재로 바꿀 수 있는 그래핀의 장점을 이용하면 전기게이트로 조절 가능한 PN접합을 자유자재로 형성할 수 있다. 보통의 전자는 PN접합을 쉽게 통과하지 못하는 반면, 디락 전자는 입사각에 따라 매우 선택적인 투과율을 보여주는 특징이 있다. 이런 성질을 이용해, 첫번째 PN접합에서 모든 전자를 진행방향으로 정렬해주고 두번째 PN접합으로는 선택적 반사를 시킴으로써 전자의 흐름을 켜고 끌 수 있는 양자스위치(일종의 트랜지스터)가 제안된 바 있다 [그림(a) 참조]. 하지만 그래핀의 전자 이동도, 그래핀 가장자리에서의 전자 산란, PN접합의 정교함, 그래핀과 금속간 접합 품질 등의 한계로 디락 전자 광학을 이용한 양자스위치의 개발은 성공적이지 못했다.

연구팀은 육방정계질화붕소 박막 사이에 고품질의 그래핀을 삽입하고 국부하부게이트 구조 등을 이용하여 매우 예리한 PN접합을 형성함으로써 디락 전자 광학을 기반으로 한 그래핀 양자스위치를 최초로 실현하였다. 특히, 그래핀 가장자리에서 산란하여 소자성능을 저하시키는 전자가 근본적으로 존재하지 않도록 하는 새로운 소자구조를 제안하였다. 또한 전자광학적 기여를 정량적으로 평가할 수 있는 새로운 방식을 제공하였다.

연구를 주도한 이길호 교수는 “이번 연구 성과는 양자소자의 새로운 형태인 디락 전자광학기반 소자 연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.