인천대학교 전자공학부·지능형반도체공학과 이영훈 교수, 미국 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL, Lawrence Berkeley National Laboratory) Liang Z. Tan 박사, 인천대학교 물리학과 이기훈 교수, 인천대학교 신소재공학과 강영호 교수 연구팀이 기존 통념으로는 발광이 어려운 반도체 내부의 결함 상태가 안정적으로 광방출을 할 수 있는 새로운 물리적 원리를 규명했다.

반도체 결함은 양자통신과 양자정보 기술을 위한 단일광자원 및 양자비트 후보로 주목받고 있다. 특히 실리콘 G-center는 광통신 파장대인 약 1280nm 의 단일광자를 방출할 수 있어 양자통신 구현을 위한 유망한 후보로 평가받고 있다.

그러나 G-center에는 오랫동안 풀리지 않은 문제가 있었다. 일반적으로 반도체 밴드갭 내에 위치한 결함 준위는 빛을 내기 쉽지만, G-center의 일부 결함 준위는 가전자대 내부, 즉 연속체 밴드 영역에 묻혀 있다. 기존 관점에서는 이러한 결함 상태가 주변 연속체 상태와 강하게 섞여 빠르게 비방사 소멸하기 때문에 광방출에 불리하다고 여겨졌다.

연구팀은 이 통념과 달리, G-center의 묻힌 결함 상태가 공간적으로 국소화되어 있으며 전자적 BIC(Bound States in the Continuum) 상태를 형성할 수 있음을 확인했다. BIC는 에너지상으로는 연속체 안에 있지만, 외부 상태와의 상호작용이 억제되어 국소성을 유지하는 특수한 상태를 의미한다. 그동안 BIC는 주로 광자계에서 연구되어 왔으나, 이번 연구는 이 개념을 반도체 전자계로 확장했다는 데 의미가 있다.

특히 연구팀은 여기 상태에서 교환상호작용에 의해 결함 준위의 에너지 순서가 재배열되는 현상이 G-center가 안정적으로 빛을 방출할 수 있는 핵심 원인임을 밝혔다.

이영훈 교수는 “G-center는 실리콘 기반 양자광원으로 많은 관심을 받아 왔지만, 연속체에 묻힌 결함 상태가 안정적으로 빛을 낼 수 있는 이유는 명확히 설명되지 않았다”며 “이번 연구는 그 원인을 교환상호작용에 의한 에너지 준위 재배열에서 찾았다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

이번 연구 결과는‘Radiative Electronic Bound States in the Continuum from Defects in Semiconductors’라는 제목으로 나노과학기술 분야의 국제학술지 나노레터스(Nano Letters)에 6월 게재되었으며, 부표지논문(Supplementary Cover)으로도 선정되었다.