아주대 교수팀, 강유전성 초전효과 이용 초고속 광전자 메모리 개발

기사내용 요약
국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼스' 2월3일 표지 논문 선정
자율주행차·의료기기·광통신소자 등 사물인터넷 적외선 광센서 활용 기대

서형탁 아주대 교수

[수원=뉴시스] 박종대 기자 = 국내 대학 연구진이 강유전성 초전효과를 이용한 초고속 광전자 메모리 소자를 개발하는 데 성공했다.

9일 서형탁 아주대 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)에 따르면 강유전체 초박막에 초전효과를 유도해 초고속·고감도·자가전력의 우수한 성능을 지닌 하프늄 산화물 기반 적외선 광전자 메모리 소자를 개발했다. 아주대 대학원 에너지시스템학과 쿠마 모히트 교수가 제1저자로 참여했다.

연구 내용은 ‘강유전성 하프늄 산화물을 이용한 고성능 광학센서와 재구성 초광전메모리’라는 제목으로 재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 머터리얼스' 2월 3일자 표지 논문으로 선정됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

특허 출원을 진행 중이다.

아주대 연구팀은 최근 반도체 소재로 많이 활용되고 있는 전계에 의해 높은 자발분극효과를 지니는 강유전체 물질인 하프늄 산화물(HfO₂) 소재에 주목했다.

연구팀은 이론 계산을 통해 자발분극이 최대화되는 산소공공 결함(산소가 빠진 빈 자리) 밀도를 알아내고, 이를 실리콘 기판 위에 10나노미터 두께로 증착한 하프늄 산화물의 결함 제어에 활용했다. 하프늄 산화물 상부에는 적외선 입사와 광전류 검출 최적화를 위해 은나노전극을 배치했다.

[수원=뉴시스] 서형탁 아주대 교수팀이 발표한 연구 논문이 실린 국제 학술지인 '어드밴스드 머터리얼스' 2월 3일자 표지(사진 왼쪽)과 이번 연구 결과를 그래픽화한 이미지. 2022.2.9. (사진=아주대 제공) *재판매 및 DB 금지

그 결과 결함밀도가 최적화된 하프늄 산화물의 자발분극 특성과 전계에 따라 이동하는 산소 음이온에 의한 이온분극 특성까지 더해져 최대 전압구간 10V와 전류구간 10만 암페어의 광메모리 윈도우를 획득했다.

전압을 조절해 적외선의 광신호를 다양한 레벨로 저장하는 재구성형 광메모리 기능까지 구현하는 데도 성공했다.

특히 연구팀은 광센서에 교류 광전류를 이용해 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 적외선 입사광 흡수를 통해 외부 전원 공급 없이 광전효과 기반의 자가전력으로 소자를 구동했다.

연구팀이 개발한 소자의 검출 속도는 60마이크로 초(0.06msec)로 고속 검출이 가능하다. 원자 현미경을 이용해 동일한 초전효과 기반 적외선 검출을 30나노미터 크기에서도 구현할 수 있다는 점을 확인했다.

서 교수는 “센서와 집적회로 반도체 소재로 널리 활용되는 실리콘·하프늄 산화물 소재를 이용해 초고감도 적외선 검출과 재구성이 가능한 광메모리를 달성했다는 데 의의가 있다”며 “이 방식을 응용하면 고속·고감도 적외선 검출 소자를 기존의 실리콘 집적회로에 통합하는 것이 가능해지고 저비용·고성능 IoT 센서로 적용할 수 있다”고 말했다.

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