KENTECH 오상호 교수팀, 차세대 메모리 소자 분극 전환 방해하는 계면 결함 원자 수준 규명

전압을 가한 작동 상태에서 강유전체 터널접합의 원자층별 분극 변화 직접 관찰… 사이언스 어드밴시스 게재

한국에너지공과대학교(KENTECH) 오상호 교수 연구팀이 차세대 비휘발성 메모리 소자인 강유전체 터널접합(Ferroelectric Tunnel Junction, FTJ)에서 분극 전환을 방해하는 계면 결함의 작동 원리를 원자 수준에서 규명했다. 연구팀은 실제 소자에 전압을 가한 상태에서 원자층별 분극 변화를 직접 관찰하는 데 성공했다.

강유전체는 외부 전압을 제거한 뒤에도 내부의 전기적 방향성인 분극이 남고, 전압으로 그 방향을 바꿀 수 있는 물질이다. FTJ는 수 나노미터 두께의 강유전체를 두 전극 사이에 넣어 분극 방향에 따라 저항을 바꾸고 정보를 저장하는 소자로, 비휘발성 메모리뿐 아니라 저장과 연산을 같은 소자에서 수행하는 로직-인-메모리와 뇌 신경망의 작동을 모사하는 뉴로모픽 소자에도 활용될 수 있다.

다만 강유전체층이 원자 몇 층 수준으로 얇아지면 전극과 맞닿는 계면의 작은 결함이 분극 전환을 방해해 소자 성능을 제한할 수 있다. 이러한 영향은 알려져 있었지만, 실제 작동 중인 소자에서 어떤 결함이 어떻게 작용하는지는 직접 확인되지 않았다.

연구팀은 백금(Pt)과 바륨티타늄 강유전 산화물(BaTiO3), 전도성 산화물 전극(LSMO)을 차례로 쌓은 FTJ를 분석했다. BaTiO3는 전압으로 분극 방향을 바꿀 수 있는 대표적인 강유전체다. 연구팀은 원자분해능 주사투과전자현미경(STEM) 안에서 소자에 전압을 직접 가하면서, 약 3nm 두께의 BaTiO3 내부 티타늄(Ti) 원자의 미세한 위치 변화를 측정해 분극 방향을 원자층 단위로 추적했다.

그 결과 위쪽 백금-BaTiO3 계면에서는 산소 원자가 빠진 산소 공공이 연속적으로 모여 분극을 한 방향으로 강하게 붙잡는 것으로 나타났다. 아래쪽 BaTiO3-LSMO 계면에서는 일부 란타넘(La) 원자가 망간(Mn) 자리를 대신한 양이온 자리 결함이 주변 구조를 변형시켜 국소적으로 분극을 고정했다. 두 계면의 결함이 서로 다른 방식으로 동시에 작용하면서 반대 방향의 전압을 가해도 강유전체 전체가 완전히 뒤집히지 않았고, 내부에는 서로 반대 방향의 분극이 맞닿는 경계가 남았다. 연구팀은 이처럼 양쪽 계면에서 서로 다른 결함이 분극을 붙잡는 현상을 비대칭 이중 계면 고정 메커니즘으로 규명했다.

오상호 교수는 “초박막 강유전체 소자에서는 재료 자체뿐 아니라 전극과 맞닿는 원자 몇 층의 상태가 성능을 좌우한다”며 “산소 결손과 원자 자리 결함을 줄이도록 계면을 설계하면 분극 방향을 더 안정적으로 바꾸고 메모리 성능을 높일 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 KENTECH 에너지신소재연구소의 정지훈 박사와 변진호 연구교수가 공동 제1저자로 참여했고, KENTECH 에너지공학부 오상호 교수가 책임 교신저자를 맡았다. 네브래스카대학 링컨캠퍼스 물리천문학과 연구진과 부산대학교 물리학과의 이재광 연구자가 공동저자로 함께했다. 연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, 영향력지수 13.9)에 지난달 16일 게재됐다.

이번 성과는 계면 결함을 줄이고 제어하기 위한 설계 기준을 제시한 것으로, 전원이 꺼져도 정보를 유지하는 고성능 메모리와 인공지능용 반도체의 성능 향상에 활용될 것으로 기대된다.

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