‘초고속 광전소자’ 빛의 속도로 정보를 전달한다

▲ 연구진이 개발한 엑시톤 트랜지스터의 구조

IBS, 2차원 반도체-금속나노선 융합 신개념 나노광전소자회로 구현



소비하는 데이터가 다양해지고 양이 많아지는 만큼 광범위하게 쓰이는 실리콘기반 전자소자로는 정보처리 속도를 감당하기 어렵다. 전자의 이동속도가 갖는 물리적 한계 때문이다.

이에 최근 연구자들은 전자소자 대비 100배 이상 빠른 동작이 가능한 나노포토닉스(nanophotonics) 기술에 주목하고 있다. 나노포토닉스 기술은 빛과 전기의 상호 전환을 이용해 신호를 만드는 광전소자이다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단(단장 이영희) 이현석 연구위원 연구팀은 광전소자의 성능을 실리콘 전자소자 수준 이상으로 높이고자 소자의 크기를 나노미터(nm) 수준으로 줄여 집적도를 높일 때 빛이 회절 탓에 성능이 현저히 떨어지는 한계를 극복했다고 28일 밝혔다.

2차원 반도체 물질로 제작한 단일층 트랜지스터 위에 은 나노선을 다리처럼 연결해 복합소자를 만들어 이 같은 문제를 해결한 것이다.

이 복합소자는 빛을 엑시톤(exciton)이나 플라즈몬으로 자유롭게 전환할 수 있어 회절한계를 풀어낼 수 있다.

2차원 반도체는 빛을 받으면 엑시톤이 만들어지며, 그 순간 광자가 방출된다.

이 광자가 지름 200nm, 길이 수십 마이크로미터(㎛)의 은 나노선의 표면 플라즈몬(surface plasmon)으로 전환돼 나노선을 따라 지난다.

플라즈몬 광신호는 건너편 2차원 반도체 소자에 전달돼 다시 엑시톤을 생성한다.

이 엑시톤은 또 플라즈몬으로 변환되는 일련의 과정이 반복돼 정보를 담은 광신호가 전자의 움직임보다 훨씬 빠르게 전달할 수 있는 것이다.

연구진은 이뿐만 아니라 이종의 2차원 반도체 물질 간 광에너지의 흡수ㆍ발광ㆍ변환에 의한 파장 변환와 다중화 메커니즘을 실험으로 밝혔다.

또 상온에서 은나노선의 고효율 표면 플라즈몬 도파로 광통신회로에 필요한 엑시톤 트랜지스터, 엑시톤 파장 다중화장치, 고효율 플라즈몬-전기신호 변환기 등 나노광전소자회로 구성의 필수 요소들을 만들어 냈다.

이번 연구 결과는 28일 국제 과학학술지인 네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)에 실렸다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 이영희 나노구조물리 연구단 연구단장(성균관대 교수)