▲ 서울대 현택환 교수 연구팀, 반도체 나노결정 도핑 기술 개발

지난 10년간 나노기술분야에서 풀리지 않는 숙제로만 여겨지던 ‘반도체 나노결정 도핑 기술’이 국내 연구진에 의해 처음 개발되어, 우리나라가 차세대 나노 반도체 공정 기술을 주도하여 반도체 기술 강국으로서의 명성을 이어나갈 수 있는 길이 열렸다.

교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 ‘리더연구자지원사업중 창의적 연구’의 지원으로 현택환(玄澤煥, 44세) 서울대 교수와 유정호 연구원이 ‘반도체 나노결정을 핵형성 과정에서부터 효율적으로 도핑할 수 있는 기술 개발’에 성공하였다.

이번 연구결과는 나노분야의 세계적인 권위지인 『네이처 머터리얼즈(Nature Materials)』지(誌) 인터넷판에 11월 16일자(한국시간)에 게재된다. 지난 10년간 전 세계적인 나노기술 개발의 경쟁으로, 반도체 나노 결정과 관련된 제조공정, LED, 태양전지, 메모리 소자 등 다양한 분야의 산업화에 관한 연구가 진행되어 왔다.

그러나, 반도체 나노결정 도핑 기술은 나노결정이라는 매우 작은 크기와 안정성 등으로 인해, 학계에서는 도핑이 매우 어렵다고 인식되어 왔으며, 기존에 보고된 도핑 효율도 1%에 지나지 않았다.

현택환 교수 연구팀은 ‘반도체(카드뮴 셀레나이드, CdSe)’ 나노결정 성장 과정 중에서, 나노입자보다 더 작은 ’핵‘ 형성과정을 화학적으로 제어하면, 망간 이온으로 반도체 나노결정을 10%이상 더 효율적으로 많이 도핑할 수 있다는 새로운 사실을 발견하였다.

기존의 반도체 나노결정의 도핑 기술은, 결정을 기르는 과정에서 불순물을 중간에 입히는 과정으로써, 불순물(망간) 이온이 결정 안쪽 보다는 바깥쪽에 많이 분포하게 되는 단점을 가지고 있었다. 본 연구는 결정 성장 과정이 아닌, 결정의 핵 생성 과정에서부터 불순물 이온이 안으로 들어가게 되어 높은 효율의 도핑을 얻을 수 있다.

도핑된 핵입자들은 자기조립과정을 통해, 나노리본을 만들게 되는데, 이 나노리본은 차세대 나노소자에 이용될 수 있을 것으로 기대되며, 또한 망간 이온이 도핑된 카드뮴 셀레나이드 나노선은 지만 (Zeeman) 효과가 매우 우수하여, 전기 및 광학적으로 제어 가능한 자성반도체 분야의 활용이 매우 기대된다.
이 연구는 서울대학교 화학생물공학부 현택환 교수 연구팀의 주도하에,

▲미국 노트르담대학 물리학부 후디나(Furdnya) 교수 연구팀 ▲텍사스주립대학 화학공학과 황경순 교수 연구팀 ▲포항공과대학교 물리학부 박재훈 교수 연구팀 ▲서울대학교 재료공학부 김영운 교수 연구팀의 공동연구로 이루어졌으며, 나노기술의 국제적 학제간 공동연구의 성공사례로 평가되고 있다.

연구책임자인 현택환 교수는 “이번 연구결과는 반도체 나노결정의 도핑 과정을 근원에서부터 제어할 수 있는 신기술 개발로, 나노반도체 산업의 발전 가능성과 자성반도체 응용 가능성을 높였다는데 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

▲ 현택환 교수(오른쪽)와 유정호 박사과정 연구원(왼쪽)이 망간이 도핑된 카드늄셀레나이드 나노리본 시료를 들고 찍은 사진