반도체 성능 높이는 '인공초격자'···'형석' 구조로 만든다

박민혁 부산대 교수팀·황철성 서울대 교수팀 공동 연구 진행
형석 구조 인공초격자 개발···연구결과 성능 10% 향상 확인
실리콘 기판과 호환···반도체·메모리 신소재 응용 개발 기대
반도체 성능을 극대화 할 수 있는 새로운 인공초격자 기술이 개발됐다. 인공초격자는 원래 존재하는 격자 구조에 인공적으로 다시 새로운 격자 구조를 추가한 것이다. 1969년 IBM 왓슨 연구소의 에자키(Esaki) 박사에 의해 제창됐고, 그 후 반도체 성능을 높이기 위해 널리 사용되는 기술이다. 

한국연구재단(이사장 노정혜)은 박민혁 부산대 재료공학과 교수와 황철성 서울대 재료공학부 교수의 공동 연구팀이 형석(플루오라이트·CaF2) 구조를 기반으로 인공초격자를 개발했다고 18일 밝혔다. 

형석은 육면체 형태를 이루는데, 이러한 육면체가 다량으로 붙어 있는 집합체 형태다. 형석을 가열하면 청색의 인광을 방출하는 현상이 관찰되는데, 이때 방출되는 빛이 반딧불이 나는 모양과 유사해 '형석'이라는 이름이 붙었다.

형석은 광학기기나 장식품 등에 쓰인다. 이번 인공초격자 개발로 메모리 디바이스나 에너지 변환, 저장 소자로 응용할 수 있는 실마리가 생겼다. 인공초격자는 차세대 물질 구조로 주목받는다. 원자들을 특정하게 배열, 자연에 존재하는 물질이 가질 수 없는 특성을 구현할 수 있어서다. 

연구진은 원재료를 인공초격자 형태로 적층해 원재료에서 나타나지 않는 전기분극을 유도했다. 이를 통해 비교적 만들기 쉬운 세라믹 박막 재료인 산화하프튬과 산화지르코늄을 0.5 나노미터 두께의 원자층 단위로 번갈아가며 쌓아 올려 인공초격자를 제작했다. 

또한 연구진은 두 물질을 일정한 두께로 반복한 인공초격자 형태에서 강유전성이 나타나는 것을 확인해 이를 규명했다. 강유전성은 외부에서 전기를 가하지 않아도 2개 이상의 자발적인 분극 상태를 가질 수 있어 전원이 꺼져도 저장된 정보가 유지되는 메모리 소자용 소재로 이상적이다. 

실제 만들어진 인공초격자 물질을 커패시터 소자에 적용한 결과 기존 박막 형태에 비해 잔류분극 성능이 10% 향상됐다. 특히 반도체 표준물질인 실리콘 기판과 호환성을 지녀 실리콘 기판 위에 직접 인공초격자를 형성할 수 있는 단초가 될 것으로 기대된다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 연구재단이 지원하는 글로벌프론티어 사업과 삼성미래기술육성센터의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews)에 게재됐다. 
 
◆형석(플루오라이트·CaF2)란?
육면체 형태를 이루는데, 이러한 육면체가 다량으로 붙어 있는 집합체 형태다. 형석을 가열하면 청색의 인광을 방출하는 현상이 관찰되는데, 이때 방출되는 빛이 반딧불이 나는 모양과 유사해 '형석'이라는 이름이 붙었다.

◆인공초격자란?
원래 존재하는 격자 구조에 인공적으로 다시 새로운 격자 구조를 추가한 것이다. 1969년 IBM 왓슨 연구소의 에자키(Esaki) 박사에 의해 제창됐고, 그 후 반도체 성능을 높이기 위해 널리 사용되는 기술이다. 
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