지스트, 소비전력·정보밀도 개선 차세대 반도체 소재 개발

격자 인장으로 인해 조절된 강유전성 및 유전특성이 조절된 페로브스카이트 재료가 차세대 메모리소자로 활용되었을 때의 모식도. 사진=지스트 제공

[아시아경제 호남취재본부 조형주 기자] 국내 연구진이 기존 반도체 소자의 소비전력 및 정보밀도를 획기적으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다.

1일 지스트에 따르면 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부 이상한 교수 연구팀은 반도체의 기본 소재로 활용되는 페로브스카이트 재료의 격자 변형을 이용하여 유전상수를 단계적으로 조절하는 데 성공했다.

유전상수는 재료의 고유한 성질이지만 유전체 재료에서 이러한 유전상수가 조절된다면, 메모리소자의 저장단계가 조절 가능하므로 기존 반도체 소자의 소비전력 및 정보밀도를 획기적으로 개선할 수 있다.

페로브스카이트(ABO3) 구조의 일부 유전재료에서 격자변형에 따라 상유전성에서 강유전성으로 상전이 될 수 있음이 최근 이론계산 논문들을 통해 보고되었다.

그 중에서도 SrMnO3 (SMO)는 격자 변형에 따라 강유전성뿐만 아니라 강자성으로의 다중상변이가 가능한 재료이며, 이러한 두 강성의 강력한 조합은 차세대 다중메모리소자로써 활용 가능성이 높은 재료로 각광받아왔다.

그러나 기존의 선행연구들에서 이러한 재료를 실험적으로 구현하였을 때, 격자 변형에 따른 큰 누설전류 및 구조적 결함 발생으로 인해 직접적인 강유전성 및 유전상수의 확인이 어려웠다.

지스트 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 선택적 산소어닐링 방법을 고안하여 적용했고, SMO 박막에서 최초로 격자인장에 따른 상유전성에서 강유전성으로의 상변이 및 이에 따른 유전상수의 단계적 조절이 가능함을 실험적으로 확인하였다.

SMO 박막보다 더 큰 격자상수를 갖는 스트론튬 탄탈륨 알루미늄 기판을 기반으로 펄스드 레이저 증착법을 이용하여 결정질 박막을 형성시킴으로써 SMO의 격자인장을 유도하였다. 또한 박막의 두께를 조절함으로써 격자 인장률을 최대 2%까지 단계적으로 조절하였다.

나아가 SMO 박막 위 SrRuO3 보호층을 준비하고 고온의 산소분위기에서 어닐링 진행 후 보호층을 제거하는 선택적 산소어닐링 방법을 고안하여 이를 통해 SMO 박막의 한계점인 격자변형에 따른 큰 누설전류 및 구조적 결함을 해결하여 구조적으로 안정된 박막을 구현하였다.

이상한 교수는 “이번 연구성과는 차세대 전자소자로 각광받고 있지만 아직 재료개발단계에 멈춰있는 멤커패시터 개발의 단초를 제공할 수 있다는데 의의가 있다”면서 “격자 인장에 따라 단계적으로 조절 가능한 유전체 재료의 개발은 향후 차세대 반도체 소자 개발을 선도할 것으로 기대된다”고 말했다.

지스트 이상한 교수가 주도하고 안현지 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 재료분야 저명 학술지인 ‘NPG Asia Materials(NPG 아시아 머터리얼즈, IF=10.481)’에 하이라이트 논문으로 선정되어 2021년 10월 29일 온라인 게재됐다.

호남취재본부 조형주 기자 ives0815@asiae.co.kr