인천대학교와 미국 로렌스 버클리 국립연구소 공동연구팀이 반도체 내부 결함 상태에서 안정적인 빛 방출이 가능해지는 새로운 물리적 원리를 밝혀내며 차세대 양자통신 기술 발전의 가능성을 제시했다.

인천대학교 전자공학부·지능형반도체공학과 이영훈 교수와 미국 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL) Liang Z. Tan 박사, 인천대학교 물리학과 이기훈 교수, 신소재공학과 강영호 교수 연구팀은 기존 이론으로는 설명하기 어려웠던 반도체 결함의 발광 현상을 규명했다고 밝혔다.

반도체 결함은 양자통신과 양자정보 기술에 활용되는 단일광자원과 양자비트 구현을 위한 핵심 후보 물질로 주목받고 있다. 특히 실리콘 G-center는 광통신에 활용되는 약 1280nm 파장의 단일광자를 방출할 수 있어 차세대 양자통신 구현에 적합한 소재로 평가받아 왔다.

하지만 G-center 내부 일부 결함 준위는 반도체 가전자대 내부에 위치해 있어 일반적인 이론으로는 안정적인 빛 방출이 어려운 것으로 알려져 있었다. 기존 학계에서는 이러한 결함 상태가 주변 전자 상태와 강하게 혼합되면서 빠르게 에너지를 잃기 때문에 발광 효율이 낮을 것으로 판단해 왔다.

연구팀은 이번 연구를 통해 G-center의 결함 상태가 공간적으로 국소화된 특성을 유지하면서 전자적 BIC(Bound States in the Continuum) 상태를 형성할 수 있다는 사실을 확인했다. BIC는 에너지적으로는 연속체 영역에 존재하지만 외부 상태와의 상호작용이 억제돼 독립적인 특성을 유지하는 특별한 상태를 의미한다.

특히 연구진은 여기 상태에서 발생하는 교환상호작용이 결함 준위의 에너지 순서를 재배열시키고, 이것이 G-center가 안정적으로 광자를 방출할 수 있는 핵심 원인이라는 점을 밝혀냈다.

이번 연구는 기존에 주로 광자 시스템에서 연구되던 BIC 개념을 반도체 전자 시스템으로 확장했다는 점에서 의미가 크며, 향후 실리콘 기반 양자광원과 양자통신 기술 개발에 중요한 이론적 기반이 될 것으로 기대된다.

이영훈 교수는 “실리콘 기반 양자광원으로 주목받아 온 G-center가 안정적으로 빛을 방출하는 원인을 명확히 설명한 연구”라며 “교환상호작용에 따른 에너지 준위 재배열이 핵심 역할을 한다는 사실을 규명했다는 데 의미가 있다”고 설명했다.

한편 이번 연구 결과는 ‘Radiative Electronic Bound States in the Continuum from Defects in Semiconductors(반도체 내 결함으로 인한 연속체 내 복사 전자 속박 상태)’라는 제목으로 나노과학기술 분야 국제학술지인 Nano Letters 6월호에 게재됐으며, 부표지 논문(Supplementary Cover)으로도 선정됐다.