연구소소개
전원이 꺼져도 정보가 보존되는 강유전체 터널소자 원리 규명, 비휘발성 메모리 개발 박차
- 등록일 : 14-12-04
- 전자재료연구센터 정두석 박사 연구팀
- 조회수 : 27362
-
첨부파일 :
전원이 꺼져도 정보가 보존되는 강유전체 터널소자 원리 규명, 비휘발성 메모리 개발 박차
- 강유전체의 자발분극 방향에 따라 양자역학적 전자의 흐름을 달리하는 터널접합소자의 거대 전극의존성 발견
- 거대전극효과는 강유전체와 전극 사이에 존재하는 양자역학적 에너지 장벽의 차이에 기인함을 규명
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 전자재료연구센터 정두석 박사 연구팀이 독일 킬 대학, 율리히 연구소, 러시아 아이오페 연구소와의 공동연구를 통해 강유전체 터널접합소자의 거대전극효과를 발견, 그 원리를 규명했다고 밝혔다.
전기가 통하지 않는 절연체인 유전체는 상온에서 전압을 흘려주었을 때 내부에 +, - 이온이 쌍을 이루는 전기쌍극자(electric dipole)가 형성되고, 이로 인해 유전체의 +,- 극이 분리되어 메모리로 활용이 가능하다. 유전체는 현재 컴퓨터 하드 드라이브에 저장된 정보를 중앙처리장치(CPU)로 불러오는 DRAM 반도체에 많이 쓰이고 있다. 그러나 유전체는 전압이 사라지면 이러한 성질이 사라지는데 이 때문에 컴퓨터 부팅에는 일정 시간이 소모된다.
유전체 중 전압이 사라져도 +,- 한 쌍의 이온이 사라지지 않는 유전체가 ‘강유전체’이다. 이런 이유로 강유전체는 전기를 꺼도 저장된 정보가 사라지지 않는 ‘자발분극’ 현상이 일어나 비휘발성 메모리 연구에 활발히 쓰이고 있다. 실제로 세계 각국의 반도체 기업은 강유전체 축전기(ferroelectric capacitor)를 이용한 FeRAM 개발을 현재까지 이어오고 있다.
※ 자발분극 : 외부 인가 전기장에 의해 절연체 내 생성된 전기쌍극자가 외부 전기장 제거 후 잔존하는 현상을 의미함.
하지만 FeRAM이 소형화되면 정전용량이 확보를 하기가 어렵다는 단점이 있다. 따라서 현재는 축전기 형태의 강유전체 소자가 아닌 소형화에 유리한 저항을 기반으로 한 강유전체 소자를 이용 메모리소자 구현을 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
연구팀은 3 나노미터 두께의 티탄산바륨 (barium titanate) 단결정 강유전체 박막을 이용하여 터널접합소자를 제작하였다(그림 1). 연구팀은 터널 접합소자 상부에 구리, 금 등의 재료를 전극으로 붙였다. 상부 전극의 재료의 종류에 달리하여 실험을 한 결과 터널접합소자를 통해 흐르는 양자역학적 전자의 흐름이 강유전체의 자발분극 방향에 영향을 받으며 상부 전극물질의 종류에 크게 의존함을 발견하였다.
* 양자역학적 전자의 흐름 : 전자는 파동과 입자의 특성을 보이며 파동특성에 의해 두 전극사이에 위치한 강유전체 장벽을 통과할 수 있다. 이 현상을 양자역학적 터널링 효과라 부름.
상부전극이 구리인 터널접합소자의 자발분극 방향에 따른 저항비는 금에 비해 50~60배 이상에 달하는 거대전극효과 (giant electrode effect)를 보였다. 메모리소자의 높은 저항비는 저장된 정보의 읽기과정 시 발생 가능한 오류를 줄일 수 있어 터널접합소자 기반 메모리 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.
KIST 전자재료연구센터 정두석 박사는 “강유전체 터널접합소자는 향후 디지털 컴퓨터의 비휘발성 메모리, 신경망 모방 컴퓨터의 인공시냅스 소자 등에 활용될 수 있으며”, “학문적, 산업적으로 거대전극효과는 터널접합소자의 특성설계에 중요한 척도로 이용될 가능성이 있다”고 연구 의의를 밝혔다.
본 연구는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구센터 정두석 박사 연구팀에서 진행된 연구로, 강유전체 터널접합소자의 거대전극효과를 최초로 발견하였을 뿐 아니라 현상학적인 원리를 규명하였다. 이번 연구 성과는 Nature Communications에 “Giant electrode effect on tunnelling electroresistance in ferroelectric tunnel junctions” (DOI: 10.1038/ncomms6414)라는 제목으로 11월 17일(월)에 온라인 게재되었다.
이번 연구는 KIST의 K-GRL 기관고유연구사업 지원으로 수행되었다.
○ 연구진:
■ Dr. 정두석, 선임연구원, 전자재료연구센터, KIST
■ Dr. 김성근, 선임연구원, 전자재료연구센터, KIST
■ Dr. Rohit Soni, 박사후 연구원, Christian-Albrechts-Universit？t zu Kiel
■ Dr. Hermann Kohlstedt, 교수, Christian-Albrechts-Universit？t zu Kiel
■ Dr. Nikolay A. Pertsev, 연구원, A. F. Ioffe Physical-Technical Institute of the Russian Academy of Sciences
○ 사진
정두석, 선임연구원, 전자재료연구센터, KIST
○ 관련자료
그림 1 강유전체 터널접합소자의 고해상 투과전자현미경 사진, Cu(구리-상부전극), BTO(강유전체), LSMO(하부전극)
그림 2 좌측: 금 상부전극을 이용한 강유전체 터널접합소자의(위) 강유전 특성과 (아래) 저항 특성. 우측: 구리 상부전극을 이용한 터널접합소자의(위) 강유전 특성과 (아래) 저항 특성. 아래쪽은 두 그래프는 전류의 비를 나타내는데, 오른쪽이 비율이 커, 저항비가 크다고 볼 수 있다.