■ 반도체 소비전력↓정보밀도↑차세대 소자 개발

■ 반도체 소비전력↓정보밀도↑차세대 소자 개발

 

● 광주과학기술원(GIST), 멤커패시터 및 멤컴퓨팅 시스템 개발에 기여

 

국내 연구진이 기존 반도체에 비해 소비 전력을 대폭 줄이고, 정보 밀도를 개선할 수 있는 기술을 개발했다. 차세대 전자 소자인 멤(Micro-Electro-Mechanical) 커패시터(capacitor) 및 멤(Micro-Electro-Mechanical) 컴퓨팅 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다. 광주과학기술원(GIST)은 이상한 신소재공학부 교수 연구팀은 반도체의 기본 소재로 활용되는 페로브스카이트(ABO3의 분자 구조가 규칙적으로 배열) 재료의 격자(일정한 패턴으로 모든 방향으로 규칙적으로 배열) 변형을 이용하여 유전 상수를 단계적으로 조절하는 데 성공했다고 2021년 11월 01일 밝혔다.

 

유전 상수는 전기장이 주어졌을 때, 물질이 전하를 상대적으로 어느 정도 저장할 수 있는가를 나타내는 척도를 말한다. 재료의 고유한 성질이지만, 유전체 재료에서 이러한 유전 상수가 조절된다면, 메모리 소자의 저장 단계가 조절 가능하므로 기존 반도체 소자의 소비 전력 및 정보 밀도를 획기적으로 개선할 수 있다.

 

페로브스카이트(ABO3) 구조의 일부 유전재료에서 격자 변형에 따라 상유전성에서 강유전성으로 상전이 될 수 있음은 최근 이론 계산 논문들을 통해 보고된 바 있다. 그 중에서도 SrMnO3 (SMO)는 격자 변형에 따라 강유전성뿐만 아니라 강자성으로의 다중 상변이가 가능한 재료이며, 이러한 두 강성의 강력한 조합은 차세대 다중 메모리 소자로써 활용 가능성이 높은 재료로 각광받아왔다. 그러나, 기존의 선행 연구들에서 이러한 재료를 실험적으로 구현했을때, 격자 변형에 따른 큰 누설 전류 및 구조적 결함 발생으로 인해 직접적인 강유전성 및 유전상수의 확인이 어려웠다.

 

연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 선택적 산소 어닐링 방법을 고안해 적용했다. SrMnO3 (SMO) 박막에서 최초로 격자 인장에 따른 상유전성에서 강유전성으로의 상변이 및 이에 따른 유전 상수의 단계적 조절이 가능함을 실험적으로 확인했다. SrMnO3 (SMO) 박막보다 더 큰 격자 상수를 갖는 스트론튬 탄탈륨 알루미늄(LSAT) 기판을 기반으로 펄스드 레이저 증착법을 이용하여 결정질 박막을 형성시킴으로써 SrMnO3 (SMO)의 격자 인장을 유도했다. 또한 박막의 두께를 조절함으로써 격자 인장률을 최대 2%까지 단계적으로 조절했다.

 

나아가 SrMnO3 (SMO) 박막 위 SrRuO3 보호층을 준비하고, 고온의 산소 분위기에서 어닐링 진행 후, 보호층을 제거하는 선택적 산소 어닐링 방법을 고안해 이를 통해 SrMnO3 (SMO) 박막의 한계점인 격자 변형에 따른 큰 누설 전류 및 구조적 결함을 해결하여 구조적으로 안정된 박막을 구현했다.

 

이상한 교수는 “차세대 전자 소자로 각광받고 있지만, 아직 재료 개발 단계에 멈춰있는 멤커패시터 개발의 단초를 제공할 수 있다는데 의의가 있다. 격자 인장에 따라 단계적으로 조절 가능한 유전체 재료의 개발은 향후 차세대 반도체 소자 개발을 선도할 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘NPG Asia Materials (NPG 아시아 머터리얼즈)’에 하이라이트 논문으로 선정돼 2021년 10월 29일 온라인 게재됐다.