‘강유전체’ 이론적 한계 극복, 차세대 메모리 개발 기대

▲ 강유전체의 두께와 종류에 따른 분극과 터널링 효과.

IBS, 터널링 효과 보이는 1nm 강유전체 초박막 구현

국내연구진이 강유전체 메모리(FeRAM)의 이론적 한계를 극복했다.

차세대 메모리로 꼽히는 ‘강유전체 터널접합 메모리’의 출현을 앞당길 것으로 보인다.

기초과학연구원(IBS)은 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)과 부경대 공동 연구진은 강유전체 물질인 티탄산바륨(BaTiO₃)으로 1.4nm(나노미터ㆍ10억 분의 1m) 두께의 강유전체 초박막을 만들었다고 2일 밝혔다.

2006년 발견된 이론 예측을 10여 년 만에 실험적으로 입증하는 데 성공한 것이다.

강유전체 메모리는 외부의 자극(전기장ㆍ자기장) 없이도 스스로 분극을 가지는 재료로 외부 전기장에 의해 분극 방향이 바뀔 수 있는 물질이다.

이 메모리는 실리콘(Si) 기반의 플래시 메모리보다 전력소모가 적고 읽고 쓰는 속도가 빨라 2000년 초까지 상용화 메모리로 활발하게 연구됐다.

강유전체 물질은 130nm 이상 두께에서만 강유전성이 뚜렷해 고집적ㆍ고성능 메모리 제작이 어렵다는 한계가 있다.

두께를 유지한 채 성능을 올리려면 생산단가가 올라가 상대적으로 단가가 저렴한 실리콘 플래시 메모리 개발에 밀릴 수 밖에 없었다.

연구진은 페로브스카이트 구조의 산화물 금속과 강유전체 물질 사이의 계면에 나타나는 단일 원자 수준의 불균일성에 주목하였다.

티탄산바륨의 두께가 얇아지면 불균일성이 물질의 안정성에 영향을 미쳐 강유전성을 잃는다.

이 같은 불균일성을 해결하고자 티탄산바륨 형성될 때 생긴 표면에너지가 산화바륨 또는 이산화티타늄 원자층 형성에 영향을 미친다는 것을 이론적으로 밝혔다.

연구진은 펄스 레이저 증착법(PLD)으로 루테륨산스트론튬(SrRuO₃)을 만든 후, 그 위에 티탄산바륨과 루테륨산스트론튬을 순서대로 입혀 계면이 균일한 초박막 소자를 구현했다.

이 과정에서 박막 제조 중 산소 분압을 조절하는 기법이 활용됐다.

그 결과 티탄산바륨은 두께가 1.4nm에 불과함에도 강유전성을 안정적으로 유지했다.

터널링 효과도 함께 관측됐다.

두께가 1nm 수준으로 얇아진 티탄산바륨은 부도체지만, 전자 투과 현상이 일어난다.

강유전성을 보이는 동시에 터널링이 가능해 강유전체 메모리의 파괴적 읽기를 보완할 수 있는 것이다.

이는 차세대 메모리로 꼽히는 강유전체 터널접합 메모리의 출현을 앞당길 것으로 보인다.

이 연구결과는 지난달 3일 국제과학저널 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 온라인판에 실렸다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 노태원 IBS 강상관계 물질 연구단 연구단장(공동교신저자).