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국내 연구진이 게르마늄-실리콘 나노선에서 불순물 도핑 없이도 양전하(물체가 띠고 있는 양의 전기적 성질)가 생성되는 원인을 밝혀냈다. 게르마늄-실리콘 나노선은 기존 반도체 기술과 접목이 가능하기 때문에 국내 반도체 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다. 장기주(56ㆍ사진) KAIST 물리학과 교수팀은 ㎚(10억분의1m) 단위 직경의 코어-셸(core-shell) 구조의 게르마늄-실리콘 나노선의 전기전도 특성을 조사한 결과 불순물 도핑 없이도 양전하가 생성되는 원인을 규명했다고 30일 밝혔다. 박지상ㆍ류병기 KAIST 연구원, 문창연 연세대 박사가 함께 참여한 이번 연구결과는 나노과학기술 분야의 최고 권위지인 '나노 레터스(Nano Letters)' 온라인판에 최근 게재됐다. 반도체 기술이 소형화의 한계에 직면하면서 탄소나노튜브, 그래핀(graphene), 반도체 나노선 등 나노 소재를 이용한 새로운 반도체 소자 연구가 널리 수행되고 있다. 특히 게르마늄-실리콘 나노선은 기존 반도체 기술과 접목이 가능하기 때문에 큰 기대를 모으고 있다. 반도체 나노선의 소자 응용은 불순물을 첨가해 양전하 혹은 음전하를 띤 정공(hole)이나 전자 운반자를 만들어 전류가 흐를 수 있게 해야 한다. 그러나 나노선의 직경이 작아져 ㎚ 수준이 되면 불순물 첨가가 어려워 전기전도의 조절이 매우 힘들어진다. 이에 반해 게르마늄 나노선을 얇은 실리콘 껍질로 둘러싼 코어-셸(core-shell) 구조를 갖는 나노선을 만들면 불순물을 도핑하지 않아도 게르마늄 코어에 정공이 만들어지고 전하 이동도는 크게 증가한다. 연구진은 실험 데이터 없이 순전히 양자이론에 기초해 물질의 전자구조와 물성을 기술하는 방법인 '제일원리 전자구조 계산'을 통해 게르마늄 코어와 실리콘 셸의 밴드구조가 어긋나 있고 이 때문에 게르마늄 코어의 전자가 실리콘 셸의 표면 결함으로 전하 이동이 가능해 코어에 양공이 생성된다는 것을 처음으로 규명했다. 연구진은 또 반도체 나노선을 만드는 과정에서 촉매로 쓰이는 금(Au) 원자들이 실리콘 셸에 남아 게르마늄 코어의 전자를 뺏는다는 사실도 처음 밝혀냈다. 장 교수는 "이번 연구결과는 그동안 수수께끼로 남아 있던 게르마늄-실리콘 나노선의 양전하 생성 원인과 산란과정을 거치지 않는 정공의 높은 전하 이동도에 대한 이론적 모델을 확립한 데 의의가 있다"면서 "이를 토대로 불순물 도핑 없는 나노선의 소자 응용과 개발에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.
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