[한국기술뉴스] GIST 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.

그중에서도 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. 

본 연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 선택적 산소어닐링 방법을 고안하여 적용하였고, 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(LSAT) 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 SrRuO3보호층을 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.