인천대·美 로렌스 버클리 국립연구소 공동연구팀, 반도체 결함 발광 원리 규명

(왼쪽부터) 홍성윤 석사과정생(제1저자), 이영훈 교수(교신저자)./사진=인천대 홍보과 제공

인천대학교 전자공학부·지능형반도체공학과 이영훈 교수, 미국 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL) Liang Z. Tan 박사, 인천대학교 물리학과 이기훈 교수, 신소재공학과 강영호 교수로 구성된 공동연구팀이 반도체 내부 결함 상태의 새로운 발광 원리를 규명했다.

이번 연구는 기존 통념으로는 발광이 어렵다고 여겨졌던 실리콘 G-center 결함 상태가 안정적으로 광방출을 할 수 있는 이유를 밝혀낸 성과다. 연구팀은 G-center의 결함 준위가 연속체 밴드 영역에 묻혀 있음에도 불구하고, 공간적으로 국소화되어 전자적 BIC(Bound States in the Continuum) 상태를 형성함을 확인했다. 이는 외부 상태와의 상호작용이 억제되어 안정적인 발광이 가능하다는 새로운 물리적 원리다.

특히 연구팀은 교환상호작용에 의해 결함 준위의 에너지 순서가 재배열되는 현상이 G-center의 안정적 발광을 가능케 하는 핵심 원인임을 규명했다. 이로써 실리콘 기반 양자광원으로 주목받아 온 G-center의 발광 메커니즘을 명확히 설명할 수 있게 되었다.

이영훈 교수는 "이번 연구는 실리콘 G-center가 안정적으로 빛을 낼 수 있는 이유를 교환상호작용에 의한 에너지 준위 재배열에서 찾았다는 점에서 의미가 크다"며 "양자통신과 양자정보 기술을 위한 단일광자원 개발에 중요한 기반을 제공할 것"이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 Nano Letters 6월호에 'Radiative Electronic Bound States in the Continuum from Defects in Semiconductors'라는 제목으로 게재되었으며, 부표지논문(Supplementary Cover)으로도 선정되는 성과를 거두었다.

이번 성과는 인천대학교가 세계적 연구기관과 협력하여 양자통신 시대를 앞당길 핵심 원리를 규명했다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크며, 향후 한국 반도체 및 양자기술 연구 경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 인천=주관철 기자