강유전체1) 메모리(Ferroelectric Random Access Memory: FeRAM)는 실리콘 기반의 플래시 메모리2)보다 전력소모가 적고, 읽고 쓰는 속도가 빨라 2000년 초반까지 상용화 메모리로 활발하게 연구됐다.
하지만 강유전체 물질은 130 nm 이상의 두께에서만 강유전성이 뚜렷해 고집적·고성능 메모리 제작이 힘들다. 두께를 유지한 채 성능을 끌어올리려면 생산단가가 올라간다. 상대적으로 생산단가가 저렴한 실리콘 플래시 메모리 개발이 주를 이룬 이유다.
기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 강상관계 물질 연구단(단장 노태원)과 부경대 공동연구진은 강유전체 물질인 티탄산바륨(BaTiO3)으로 1.4 nm(나노미터, 1 nm=10억 분의 1미터) 두께의 강유전체 초박막을 만들어냈다. 이는 이론(Physical Review Letters, 2006.03) 예측을 10여 년 만에 실험적으로 입증한 것이다.
연구진은 페로브스카이트3) 구조의 산화물 금속과 강유전체 물질 사이의 계면에 나타나는 단일 원자 수준의 불균일성에 주목했다. 티탄산바륨의 두께가 얇아지면 불균일성이 물질의 안정성에 영향을 미쳐 강유전성을 잃게 만든다. 이러한 불균일성을 해결하기 위해 티탄산바륨 형성될 때 생긴 표면에너지가 산화바륨 또는 이산화티타늄 원자층 형성에 영향을 미친다는 것을 이론적으로 밝혀냈다.
또한 연구진은 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)4)으로 루테륨산스트론튬(SrRuO3)을 만들고 그 위에 티탄산바륨, 루테륨산스트론튬을 순서대로 입혀 계면이 균일한 초박막 소자를 실제로 구현하였다. 이 과정에서 박막 제조 중 산소 분압을 조절하는 노하우가 활용됐다. 그 결과 티탄산바륨은 두께가 1.4 nm에 불과함에도 강유전성을 안정적으로 유지한다.
터널링 효과5)도 관측됐다. 두께가 1 nm 수준으로 얇아진 티탄산바륨은 부도체 임에도 전자 투과 현상이 일어난다. 강유전성을 보이는 동시에 터널링이 가능해 강유전체 메모리의 파괴적 읽기6)를 보완할 수 있다. 결국 차세대 메모리로 꼽히는 강유전체 터널접합 메모리(Ferroelectric Tunnel Junction Memory)의 출현을 앞당길 것으로 보인다.
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● 용어 설명 1) 강유전체 2) 플래시 메모리 3) 페로브스카이트 4) 펄스 레이저 증착법 5) 터널링 효과 6) 파괴적 읽기 |
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