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반도체 소자의 초고집적화 위한 응용 가능성 열어

이온빔 이용한 차세대 반도체 소재의 고성능화…세계 최초 구현

기사입력 2022-05-13 13:07:41
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[산업일보]
강유전성을 활용한 고효율 반도체 소자의 실용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

과학기술정보통신부는 성균관대학교 김윤석 교수 연구팀이 차세대 반도체 소재로 주목받고 있는 하프늄옥사이드(HfO2)에 ‘이온빔’을 이용해 강유전성을 높일 수 있는 방법을 세계 최초로 구현했다고 12일 밝혔다.
반도체 소자의 초고집적화 위한 응용 가능성 열어
이온빔을 이용한 HfO2 기반 강유전체의 상전이 과정 개념도 (자료=성균관대학교 김윤석 교수)

강유전성은 외부 자기장 등에 의해 물체의 일부가 양(+)극이나 음(-)극을 띤 된 후 그 성질을 유지하는 것을 말한다. 강유전성이 크면 메모리에서 데이터를 저장하는 기본구조인 ‘0’과 ‘1’의 차이가 커져서 저장한 데이터를 보다 정확하게 읽을 수 있다.

연구팀은 후처리과정이나 복잡한 공정최적화 과정 없이 ‘이온빔’을 이용한 산소 공공의 정량적 조절을 통해 하프늄옥사이드의 강유전성을 손쉽게 조절하고 향상시킬 수 있는 방법을 제시했다.

산소 공공은 산화물 재료의 결정구조에서 산소 원자가 빠져 비어있는 자리를 말한다.

연구팀의 이온빔 적용 결과에 따르면, 강유전성의 증가 원인이 산소결함 밀도와 연계한 결정구조 변화에서 기인한다는 원리를 밝혀냈다. 또한 이온빔을 적용하지 않을 때보다 강유전성을 200% 이상 증가시킬 수 있었다.

실제 반도체 산업에 적용하기 위해서는 현재의 방법론적 연구 결과를 토대로, 최적 조건 탐색 등 후속 연구가 지속적으로 필요하다고 연구팀은 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과기정통부 개인기초연구사업(중견연구, 기본연구) 등의 지원으로 수행했다.

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