저차원 반도체의 물리학과 응용


노삼규, 이정일



간추린 역사

양자 홀효과는 2차원 전자기체의 특성이다. 엄밀한 의미에서 2차원계란 이론적인 개념이다. 1차원 퍼텐셜 우물에 갇힌 전자 또는 호울이 2차원 평면에서의 운동만 자유롭고 나머지 제3차원에서의 에너지는 양자화된다 해도 그 파동함수는 제3차원에서 유한한 크기를 갖게 되기 때문이다. 그래서 혹자는 준2차원(quasi-two-dimensional)이란 용어를 고집하기도 한다. 만유인력마당과 지구라는 장벽이 만들어 놓은 퍼텐셜 우물에 갇혀 지구 껍데기에 붙어 살아야 하는 우리 인간을 비롯한 날개없는 짐승들도 2차원계에 살고 있는 셈이다. 2차원 전자기체를 제공하는 물리계로는 액체 헬륨 표면의 전자[1]와 실리콘 금절반 전계효과 트랜지스터(Si-MOSFETs)의 반전층[2] 등이 고전적인 예이다. 갈비/알갈비 이질구조(GaAs/AlGaAs Heterostruc- tures), 양자 우물, 초격자 등은 1970년대 이후 발전된 에피탁시 기술에 의하여 등장한 비교적 현대적인 예들이다. 반도체 표면의 전자를 제어하려는 노력은 1920년대부터 시작되었다. 즉 금절반(MIS) 구조에서 금속과 반도체 양단에 전압을 걸어주어 반도체 표면의 전자들을 제어하는 것으로 전계효과 트랜지스터의 개발과 연계되어 연구되었다.[3] 1950년대 초기 및 중기에 미국 일리노이대학교 바딘 교수 연구실에서는 쉬리퍼가 얇은 저마늄(Ge) 반전층의 전도도를 측정하며 2차원 전자기체의 구현 가능성을 타진하고 있었다.[4] 2차원전자기체의 표면 양자화는 1957년 쉬리퍼[5]에 의해 처음으로 설파되었으나 실험적으로 관측하기는 어려울 것으로 믿어졌는데, 이는 당시 반도체 정제기술의 미숙과 깨끗한 반도체-절연체 계면을 제작하는 기술의 모자람으로, 계면의 거칠기와 불순물에 의한 산란으로 인해 에너지 준위폭이 넓어지기 때문이었다. 1960년 미국 벨연구소의 한국인 강대원 박사[6]가 열산화법으로 Si-MOSFETs을 성공적으로 개발함으로써 2차원 전자기체의 실현에 중요한 한걸음을 내디디게 되며 반도체소자의 역사 중 실리콘의 시대를 열게 된다. 이 소자구조를 통하여 20년후 양자 홀효과가 발견되고, 근 40년이 지난 오늘 한국이 일본을 제치고 실리콘 금절반 전계효과 트랜지스터의 대표적인 응용소자인 기억소자 생산에서 미국과 양강구도를 형성하게 될 것을 강대원 박사는 예측할 수 있었을까.

1966년 국제 사무용기계사(IBM) 연구소의 파울러, 팡, 하워드, 스타일즈 등[2]이 꼬르비노형의 Si-MOSFET에서 최초로 2차원 전자기체의 특성을 관측하였다. 꼬르비노 구조는 소스, 채널 및 드레인이 동심원을 이루어 자기전도도의 종방향 성분만을 측정할 수 있다. 일정한 자기장이 걸린 상태에서 게이트 전압을 바꾸어 줌에 따라 종방향 전도도의 진동주기가 일정함을 관측한 것이다. 게이트 전압의 일정한 주기는 곧 각개의 진동당 똑같은 상태 수를 의미하므로 전자기체가 2차원계임을 의미한다. 퍼텐셜 우물에 의해 에너지가 양자화되고 여기에 강한 자장이 걸리면 다시 에너지가 양자화되어 란다우준위들을 형성한다. 게이트전압을 증가시키면 반전층의 전자 수가 증가하며 란다우준위를 차례로 채워나감에 따라 전도도는 진동을 하게 된다. 팡과 스타일즈[7]는 이어서 동일한 자장 하에서 시편의 방향을, 즉 자장의 수직성분을, 바꾸어 봄으로써 진동주기(이러한 진동을 슈브니코프 데 하스 진동이라 한다)가 자장의 수직성분에 의해서만 결정됨을 보았으니, 이 또한 2차원계의 특성이다. 이러한 일련의 실험들은 반전층이 실로 2차원 전자기체임을 입증하는 것으로 소위 2차원 전자기체에 대한 폭발적인 연구들을 촉발하게 되었다. 이후, 2차원 전자기체에 대한 전반적이고 심도있는 연구가 활발해지고, 이때의 연구결과들은 지금도 상업적인 Si-MOSFET소자 모델링에 요긴하게 쓰이고 있다. 드디어 1980년 폴란드 출신 독일 과학자 폰 크리칭이 Si-MOSFET(이번에는 홀 막대 모양의 구조, 왜냐면 횡방향 성분을 측정해야 하니까)에서 양자 홀효과를 발견한다. 때는 2월 초순 어느밤 2시경, 곳은 그레노블의 고자장 연구소. 밤 2시에 실험을 한 것은 폰 크리칭이 특별히 밤에 일하길 좋아해서가 아니라 고자장을 제공하는 비터자석이 밤에만 운용되기 때문이라고 본인이 술회하고 있다.[8]

1968년 동계 올림픽으로 우리 기억에 남아 있는 그레노블은 프랑스의 남동지역, 혼-알프스지방에 포함되며, 남불의 초입 또는 알프스의 중심이라고 일컬어 진다. 그레노블은 고래로 교통의 요지여서 십자군 동정 때 부대가 집결한 곳이기도 하 고, 최근에는 엘바섬을 탈출한 나폴레옹이 파리로 진격해 올라온 '루트 나폴레옹'이 관통하는 곳이다. 이 길은 지금도 국도로 사용되고 있어 여름철이면 바캉스차량들로 붐빈다. 고속도로보다 길도 험하고 시간이 많이 걸리지만 통행료가 없고 경치가 좋다. 알프스의 중심이라 자부할 만한 그레노블은 3면이 산으로 둘러싸여, 북에는 천년고찰이 숨어있는 샤뜨뢰즈(이 사원에서는 전래비법으로 제조하는 약술이 유명하고 최근에 2차대전 당시 나찌에 협력한 전범이 50년간 숨어 살다가 체포된 일이 있다), 동으로는 유명한 크로스 컨트리 스키장이 있는 벨동, 서로는 산세가 험하고 동굴이 많아서 2차대전 당시 레지스땅스의 할거지였던 붸르꼬르가 있다. 끝까지 나찌를 괴롭히던 레지스땅스들은 대거 투입된 2만여명의 독일 공수부대에 의해 섬멸되었는데, 그 기념비가 붸르꼬르 산자락, 싸이언스 폴리곤이 위치한 '순교자(즉 전몰장병)의 길' 로타리에 세워져 있다. 싸이언스 폴리곤에는 원자력연구소(CEA), 전자통신연구소(LETI), 유럽동보복사시설(ESRF), 란다우-란제빈연구소(ILL), 고자장연구소, 막스-프랑크연구소, CNRS, SG-Thomson 등 세계적인 연구기관들이 들어차 있어 가히 세계과학의 한 중심이라 할만하다. 고자장연구소의 비터자석은 용량이 30 테스라(1 테스라는 1만 가우스)인데 두 개의 포트가 있어 전력의 평형을 위해 항상 두 개를 함께 운용한다. 폰 크리칭이 양자 홀효과를 보고 있을 때, 다른 한 포트에서는 한국인 이종현(당시 ENSERG 반도체소자물리연구소에서 학위과정 중, 현재 경북대 교수, 대구테크노파크 사업단장)이 절연체위의 실리콘(SOI)소자의 자기전도도를 측정하고 있었다.[9] 아마도 그가 폰 크리칭 본인 외에 양자 홀효과의 발견에 가장 가까이 가 있던 이로 추정된다. 넓은 의미의 양자 홀효과를 처음 측정한 이는 카와지이다.[10] 그는 1975년부터 자기전도도의 횡성분을 측정하였는데 저항(또는 전압)을 측정치 않고 전류를 측정하였다. 그의 실험결과는, 양자 홀효과와 마찬가지로, 기존의 이론으로 완벽히 설명할 수 없었다. 안도는 자체일관 보른근사법을 이용하여 페르미준위가 두 개의 란다우 준위 사이에 있을 때 홀저항이 폰 크리칭이 관측한, 기본상수들로만 이루어진 값으로 주어짐을 예측해 내었지만 올바른 이론은 1983년 라프린의 게이지 이론인 것으로 받아들여지고 있다.

'EP2DS(2차원계의 전자성질)'는 1975년에 시작되어 지금까지도 격년으로 열리고 있는 국제학술회의이다. 참가인원을 200명 내외로 제한하여 평행발표회 없이 전원이 한 방에서 발표하고, 듣고 질문하는 형식을 취하는데 미국, 유럽, 일본을 순회하며 개최된다. 처음 다섯회의 개최지는 미국 브라운대학교(1975), 독일 베르히테스가덴(1977), 일본 야마나까호(1979), 미국 뉴햄프셔주의 뉴런던(1981), 영국 옥스퍼드 (1983)이며, 발표된 논문들은 각각 '표면과학(Surface Science)'지의 58, 73, 98, 113 및 142권에 수록되었다. 1981년의 뉴런던회의가 가장 인상적이었던 회의로 기억된다. 그 전해에 이미 양자 홀효과를 발표해 놓은 폰 크리칭은 부인과 탁구를 치고 있었고, 추이는 회의 직전에 뽑아낸 분수양자 홀효과 실험결과를 흔들어대며 마감 후 논문으로 발표하였다. 양자 홀효과 또는 2차원 전자기체에 대한 종합적인 소개 자료로는 안도가 파울러, 스턴과 함께 작성한 무려 236쪽에 달하는 평론[10]이 있고, 미국 매릴랜드 대학에서 1985년 가을학기 대학원 강좌를 단행본[8]으로 펴낸 것이 있다. 양자 홀효과는 홀효과가 알려진 후 꼭 100년 만에 발견되었다.

상태밀도

강한 자기마당에 놓여있는 2차원 전자기체의 상태밀도는 양자 홀효과 및 분수양자 홀효과를 이해하는데에 매우 중요한 역할을 한다. 여하한 이론적인 설명도 상태밀도에 대한 심각한 가정을 요구하기 때문이다. 상태밀도를 측정하기 위하여 여러 가지 방법이 시도되었다. 상태밀도는 란다우 준위를 중심으로 여러 가지 산란기구를 통해 가우시안, 로렌찌안 혹은 이들과 일정한 배경상태의 적절한 합으로 넓어지는데 중심 근처의 상태들은 펼쳐진 상태(extended states)로 이루어지고 준위사이의 꼬리 부분은 한곳 상태(localized states)로 이루어 진다. 펼쳐진 상태만이 전류의 형성에 기여하므로, 펼쳐진 상태의 점유정도가 바뀌지 않는 한, 즉 한곳 상태들이 채워지는 동안에는 양자 홀 계단의 평평한 부분과 이에 상응하는 종방향 전도도의 사라짐이 관측되는 것이다. 자기 감수율(데 하스 봔 알펜 효과)이나 비열 등을 측정하면 상태밀도를 알 수 있는데 이는 펼쳐진 상태와 한곳 상태 모두 이러한 열역학적 물리량의 평형에 기여하기 때문이다. 이밖에 자기모멘트, 자기광반응, 자기전기용량의 측정으로 상태밀도에 대한 정보를 알아낼 수 있으며, 떠돔게이트를 이용한 측정도 시도되었다. 양자홀 영역에서 나타나는 전기용량의 진동은 1968년 카프릿과 제멜에 의해, 꼬르비노 디스크 모양의 실리콘 금절반 구조에서 측정되었는데 상태밀도와 관련시켜 설명하였다. 이후 갈비/알갈비 구조에서도 2차원 및 1차원 전자기체에 대한 자기전기용량이 측정되었으나, 한편에서는 전기용량은 상태밀도보다는 전도도의 측정이라는 주장도 있다.

저차원 전자와 양자현상

양자구조(quantum structure)에 관한 이론적인 예견[11]은 일찍부터 있었지만 초박막 형성기술의 부재로 현실화되지 못 하였다. 1970년 경 Cho 등[12]이 개발한 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 성장기술은 원자적으로 평평한 계면을 가지는 수 angstrom (1 Å=10－8 cm) 정도의 아주 얇은 층두께의 이종접합(heterojunction) 구조 제작을 가능하게 해 주었는데, 전자의 de Broglie 파장 (∼100 Å) 정도 두께의 층구조를 인위적으로 쌓아 올린 다층 반도체 구조를 초격자(superlattice) 또는 양자우물(quantum well) 구조라 부른다. 화합물반도체를 이용한 이종접합 계면에는 밴드갭(bandgap) 에너지의 불연속(discontinuity)에 의한 포텐셜 우물(potential well)이 형성되어 전자는 얇은 두께의 2차원 평면에 구속되게 되는데, 이러한 상태가 양자우물구조이다. 1차원적으로 구속되어 있는 양자우물구조와 유사하게, 3차원적 계에 2차원 또는 3차원적 구속이 가해지면 전자는 1차원 또는 0차원적으로만 운동이 자유로운 상태가 되는데, 이러한 구조를 각각 양자세선(quantum wire), 양자점(quantum dot)이라고 부르고 있다. 2, 1, 0 차원, 즉 저차원 계의 전자는 3차원적 bulk에서와는 달리 특정 방향으로 구속된 제한된 운동을 하게 되어, 이때 각각의 상태밀도(density of states)는 3차원적 bulk에서의 포물(parabolic) 함수와는 전혀 다른 계단(step) 함수, 톱니(sawtooth) 함수, δ(delta) 함수 모양을 가지게 되어 저차원 특유의 물리전자적 성질을 나타내게 된다. 저차원 반도체 양자구조에서는 3차원 계에서는 관측할 수 없는 양자 Hall 효과(quantum Hall effect)나 초고속 전자에 의한 특성 등 특유의 양자현상들이 일어나기 때문에, 기초 물리학 연구를 위한 시료로서뿐만 아니라 양자현상을 이용하는 양자소자의 핵심 소재로 이용되고 있다.[13]

저차원 계에서 일어나는 양자현상의 근원은 에너지양자화(energy quantization), 자속양자화(flux quantization), 전하양자화(charge quantization) 등 크게 세 가지로 나눌 수가 있다. 표 1은 현재 실용화되었거나 연구개발이 진행 중인 대표적인 반도체 양자소자를 양자현상에 따라 분류한 것이다. 저차원 계의 에너지밴드변조효과, 공명투과현상, 양자 Hall 효과, 양자구속 Stark 효과, 비선형광학현상 등의 대부분 양자현상들은 에너지양자화에서 기인한다. 이들 에너지양자화에 기초한 초고속전자트랜지스터(HEMT), 양자우물 레이저, 자기전광효과 소자(SEED) 및 양자 Hall 표준저항 등은 각각 통신위성용 초고속소자, 컴팩트디스크용 레이저광원, 양자저항표준기에 이미 활용되고 있다. 또한, 1차원 또는 준0차원 계, 즉 중시계(mesoscopic system)에서 관측되는 양자간섭효과와 단전자투과현상은 각각 자속양자화와 전하양자화에 기인한 양자현상으로 전자의 파동성과 입자성 (이중성)을 실험적으로 보여준 결과이다. 현재 양자간섭효과나 단전자투과현상을 이용하는 또다른 개념의 양자소자에 관한 연구개발이 진행되고 있으며, 2000년대에는 실용화될 것으로 전망되고 있다.[14]

Quantization

Quantum Phenomena

Qunatum Devices

Energy

Quantization

Energy-Band Modulation

Resonant Tunneling

Quantum Hall Effect

Quantum Confinement Stark Effect

Nonlinear Optic Effects

High Electron-Mobility Transistor (HEMT)

Resonant Tunneling Transistor (RTT)

Quantu Hall Standard Resistor

Quantum Well Laser

Self Electro-optic Effect Device (SEED)

Flux

Quantization

Qunatum Interference Effects

· Aharonov-Bohm Oscillation

· Universal Conductance Fluctuation

Quantum Interference Transistor (QUIT)

Electron Wave Device

Charge

Quantization

Single Electron Effects

·Single Electron Tunneling

·Periodic Conductance Oscillation

Single Electron Transistor (SET)

Quantum Current Standard Device

표 1. Quantum phenomena and the related quantum devices.

반도체 이종접합구조와 Hall 이동도

반도체 이종접합구조의 계면에는 두 구성물질의 밴드갭 에너지(Eg) 차이에서 기인한 포텐셜 우물이 형성되는데, GaAs (Eg=1.425 eV, 300 K)와 Al0.3Ga0.7As (Eg=1.805 eV, 300 K)의 단일 이종접합 계면에는 약 100 Å 정도의 삼각형 포텐셜우물이 만들어진다. GaAs/AlGaAs HEMT 구조에서는 AlGaAs 도핑층(doped layer)의 전자가 AlGaAs 공간층(spacer layer)의 포텐셜장벽을 넘어 GaAs 완충층과 공간층 사이에 형성된 포텐셜우물로 확산됨으로서 얇은 평면에 구속되는 2차원전자기체 (2-dimensioal electron gas, 2DEG)가 형성된다. 이때 2DEG는 수십에서 수백 Å 두께의 공간층을 사이에 두고 도핑층 내의 이온화 도너와 공간적으로 분리되어 있기때문에, 특히 저온 (∼4.2 K) 영역에서 높은 전자이동도를 가지는 2차원 고유의 특성을 나타낸다. GaAs/AlGaAs 이종접합구조에서는 이온화불순물, 극성광학포논(polar optic phonon), 음향포논(acoustic phonon), intersubband 등이 중요한 산란 중심으로 작용하여 전자이동도를 결정하는 것으로 알려져 있는데, 원격(remote) 이온화불순물에 의한 산란이 가장 중요한 변수로 작용한다. 원격 이온화불순물에 관한 전자이동도는

와 같이 표현되는데, 여기서 Lo와 L1은 공간층과 도핑층의 두께와 관련된 상수이며 ns와 NRD는 각각 전자밀도와 도핑밀도이다.

Dingle 등[15]이 최초로 이종접합 HEMT 구조를 고안한 이래로 약 20년간 전자이동도 향상을 위한 많은 연구가 거듭되어, 최근에는 약 107 cm2/V.sec (∼4.2 K)를 넘는 GaAs/AlGaAs 전자이동도에 관한 연구결과가 발표된 바 있다. 그림 1은 한국표준과학연구원 박막연구그룹에서 얻은 실험결과로서, 공간층 두께가 서로 다른 여러가지 GaAs/AlGaAs 이종접합구조의 Hall이동도의 온도의존성을 bulk GaAs:Si과 함께 비교한 그래프이다.[16]

양자 Hall 효과와 저항표준

저차원 반도체구조에서 관측된 금세기 최대의 발견은 양자 Hall 효과[17]이다. 양자 Hall 효과는 MOSFET이나 HEMT 구조와 같이 2DEG를 지니는 반도체 계에서의 Hall 저항(transverse magnetoresistance) Rxy가 수 tesla(T) 정도의 강자기장하에서

로 양자화되는 현상인데, 여기서 h와 e는 각각 Plank 상수와 전자의 기본전하이고 i는 정수이다. 2차원 계에 수직한 방향으로 강한 자기장을 인가하면 전자들은 2차원 cyclotron 운동을 한다. 고전적으로 전자는 임의의 cyclotron 반경 ℓ을 가지므로 에너지는 연속 스펙트럼을 나타내는 반면, Landau 양자화 이론에 근거한 cyclotron 운동은 Landau 지수로 불리우는 양자수 N에 대응하는 cyclotron 반경만이 허용되어 전자의 에너지는 양자화된 불연속 스펙트럼을 가진다. 2DEG의 운동량을 p, 유효질량을 me*라고 할 때 2DEG의 Hamiltonian은 Ηo =(p+e/cA)2/2me*로 표현되므로, 벡터포텐셜 A에 Landau gauge (0, Bx)를 취하여 에너지준위를 계산하면 2DEG 에너지 EN은 cyclotron 에너지 ħωc에 대하여


와 같이 양자화된 상태를 가지게 된다. 고전적 평형방정식, F=me*ℓωc를 사용하여 cyclotron 진동수 ωc와 cyclotron 반경ℓN을 구하면

와 같이 각각 나타낼 수 있으며, Landau 준위의 단위면적당 중첩도 nL은

와 같이 주어진다. Landau 준위밀도로도 불리우는 nL은 자기장에 비례하며, nL/B는 e/hc (=2.4×1010 cm－2 T－1)로 표현되는 상수이다. 식 (6)은 Landau 준위밀도가 자기장에 비례하여 증가하는 것을 보여주고 있다. 강자기장이 인가될 때 전자들은 대부분 가장 낮은 Landau 준위 (Eo=½ħωc)를 점유하지만, 자기장이 낮아지면 nL이 감소하게 되어 전자들은 더 높은 Landau 준위를 채우게 되고 준위사이의 간격도 줄어든다. Landau 준위의 채움인자(filling factor) ν는 전자에 의하여 점유된 Landau 준위를 표현하는 인자로써 Landau 준위 중첩도에 대한 2DEG 밀도의 비, ns/nL로 정의된다. 즉,

로 표현될 수가 있는데, 자기장이나 전자밀도를 바꾸어 주면 ν의 변화를 유도할 수가 있다.

반도체 계에는 항상 극소량의 국부적 결함이나 불순물을 포함하고 있는데, 양자 Hall 효과는 전자-불순물의 상호작용으로부터 기인한다. 고전적으로 2차원 전자계의 Hall 전도도 σxy (=Ix/Vy)는 nsec/B와 같이 연속적인 값을 가지는 반면, δ함수 꼴의 상태밀도를 가지는 Landau 양자화된 2DEG의 전자밀도는 Landau 지수의 정수배가 되는 특정 위치에서만 Hall 전압 Vy가 0가 되어

와 같이 양자화된 Hall 전도도를 나타낸다. 자기장에 대한 종방향저항(longitudinal magnetoresistance) Rxx의 진동현상인 Shubnikov-de Haas (SdH) 효과도 같은 맥락에서 이해될 수 있으며, 식 (7)의 ν와 1/B의 선형적 관계를 이용하여 1/B에 대한 ν (SdH 진동주기)의 그래프의 기울기로부터 2DEG 밀도를 결정할 수가 있다. 그림 2는 한국표준과학연구원 박막연구그룹에서 제작한 GaAs/AlGaAs 양자 Hall 저항소자에서 측정한 대표적인 Rxx/Rxy-B 곡선으로, 2차원 전자계의 양자화에 의한 양자 Hall 저항 (Rxx)과 SdH 진동 (Rxy)을 보여주고 있다.[18]

식 (2)의 비례상수 h/e2 또는 식 (8)의 h/e2는 물질이나 시료의 기하학적 모양과는 무관하게 기본 물리상수 h와 e만으로 결정되는 보편상수(universal constant)이다. 전압표준이 Josephson 효과에 기초를 두고 있듯이 양자 Hall 저항은 저항표준에 그 이용이 가능하다. 국제적 표준을 관장하는 국제도량위원회 (CIPM)에서는 양자 Hall 효과에 기초한 새로운 저항표준을 채택하고 1990년부터 양자 Hall 소자를 새로운 표준저항으로 사용할 것을 의결한 바 있다. 최근 보고된 양자 Hall 소자로부터 측정한 h/e2의 실험값은 25.81280831 kΩ으로 10 μΩ 정도의 정확도로 측정이 가능함을 보여 주고 있다.

양자 Hall 효과는 1980년 von Klitzing 등[17]에 의하여 처음 발견되었으며, 기초물리학과 양자표준에의 응용에 대한 공로로 1985년 노벨물리학상이 수여되었다. 양자 Hall 효과는 액체헬륨온도 (4.2 K) 근처의 저온에서 수 T 정도의 강자기장하에서 관측되며, 식 (8)의 정수 (integer) i에 대하여 Hall 저항이 양자화되는 현상이다. 양자 Hall 저항 편평대 (plateau)의 형성은 불순물에 의한 Landau 준위의 퍼짐으로 설명이 가능하지만, 보다 정확한 이해를 위한 반도체 물리학 이론 및 실험 연구는 현재도 계속되고 있다. 특히, 2차원 전자계에 mK 정도의 극저온에서 10 T 이상의 초고자기장을 인가하면, 식 (2)에서의 정수 i는 분수 (fraction)를 가지는 것이 가능함이 실험적으로 밝혀졌는데, 정수 양자 Hall 효과와 구별하여 분수 양자 Hall 효과라 부른다. 분수 양자 Hall 효과는 정수 양자 Hall 효과가 발견된 이듬해인 1981년에 Tsui 등[19]에 의하여 발견되었으며, 스핀편광전자 (spin polarized electron)와 관련된 새로운 양자유체 (quantum fluid)의 존재를 밝힌 기초물리학에의 공로가 인정되어 발견 후 17년이 지난 금년 노벨물리학상 수상이 결정되었다.

맺음말

초격자구조를 처음 제안한 Leo Esaki[11]가 표현한 "Do it yourself quantum mechanics."란 표현은 저차원 계 양자구조의 의미를 단적으로 말해 주고 있다. 즉, 이종접합을 구성하는 반도체의 물질이나 조성비, 두께, 또는 도핑밀도 등을 변화시키면, 우리가 원하는 물리전자적 특성을 지니는 물질을 마음대로 설계 제작할 수가 있음을 의미한다. 이러한 인공구조 반도체(man-made artificially structured semiconductors)를 이용하면, 지금까지 교과서적 접근에만 의존하여 왔던 양자역학의 이론적 결과를 실험적으로 입증할 수 있는 가시적 검증법을 도출해 낼 수 있기 때문에, 기초 물리학적 관점에서의 양자구조는 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 양자우물, 양자세선, 양자점 등과 같은 저차원 계에서의 상태밀도의 변화는 모든 물리전자적 특성을 바꾸어 놓음을 확인할 수 있었으며, 중시계에서 일어나는 양자현상은 현재까지 이론적 접근 (h→0)에 의존하였던 양자역학의 대응원리(correspondence principle)와 같은 물리학의 기본 원리를 실험적 관측을 통하여 직접 검증하게 해 준 좋은 실례이다. 특히, 양자간섭현상에서의 자속양자(h/e), 양자 Hall 효과에서의 양자저항(h/e2) 또는 미세구조상수(fine structure constant) (e2/ħc=1/137) 등의 실험적 관측은 기본 물리상수와 관련되어 있기 때문에 기초 물리학에서의 그 중요성은 더욱 크다고 할 수가 있다.

 새로운 시대는 새로운 소자를 요구하며, 새로운 소자는 새로운 현상을 필요로 하며, 새로운 현상은 새로운 재료를 원한다.

참 고 문 헌

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노삼규 박사는 연세대학교 물리학과에서 반도체물리학으로 이학박사학위를 받은 후, 미국 Brown 대학교 물리학과와 일본 이화학연구소의 Frontier Research Program에서 화합물반도체 관련 양자현상 및 양자자 연구에 참여하였고, 1989년부터 한국표준과학연구원 박막연구그룹에서 그룹리더로 일하고 있다. (sknoh@krissol.kriss.re.kr)

이정일 박사는 미국 Brown 대학교 물리학과에서 고체물리 실험으로 박사학위를 받은 후 미국 GTE 연구소 박사후 연구원을 거쳐 한국과학기 술연구원 광기술연구센터에서 광반도체 소자개발에 힘쓰고 있다. 1993년 부터 96년까지 한중과학기술협력센터 북경사무소장으로 근무하였고, 1997년부터 98년까지 프랑스 그레노블 소재 ENSERG(INPG) 반도체 소 자물리 연구실(LPCS, UMR 5331 CNRS)에서 방문연구를 수행하였다. (jil@kistmail.kist.re.kr)