등구조-무응력 상전이 박막 및 절연체-금속 전이 메커니즘 규명 논문 / 사진. 한국연구재단

한국연구재단이 서울대학교와 포항공과대학교 연구팀과 함께 전류 스위칭 과정에서 부피 변화가 없는 절연체-금속 상전이 박막 형성 소재 기술을 개발했다고 2월 7일(금) 밝혔다. 

본 연구로 반도체 소자의 내구성을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 신소재 기술이 개발된 셈이다. 연구 결과는 국제학술지 Advanced Materials에 2024년 11월 27일(수) 게재됐다.

특정 임계 전압에 도달하면 절연체에서 금속으로 변하며 전기 전도도가 급격히 증가하는 상전이 바나듐 산화물(이하 VO₂) 반도체는 저전력 광전자 소자 및 뉴로모픽 신소자로 주목받고 있다. 그러나 급격한 전기적 상전이로 인해 결정구조와 부피가 동시에 변화하면서 소자의 내구성에 치명적인 문제가 발생해왔다. 한국연구재단은 이를 해결하기 위해 구조적 상변이를 최소화하는 연구를 진행했다.

한국연구재단은 VO₂ 박막 내 타이타늄(이하 Ti) 이온을 도핑하여 결정구조의 질서를 교란하고, 상전이 시 부피 변화를 제거하는 데 성공했다. 연구 결과, Ti가 도핑된 VO₂ 박막은 기존과 달리 금속-절연체 전환 과정에서 저항은 크게 변화하지만 격자 상수는 변하지 않는 것으로 나타났다.

특히 전자현미경 분석을 통해 이차 상전이 과정에서 급속 냉각된 얼음이나 유리상의 특징이 등구조(isostructural) 및 무응력(zero-strain) 상전이를 구현하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 규명했다. 이를 통해 나노초 이하의 빠른 스위칭 속도를 유지하면서도 10억 번 이상의 반복 스위칭 이후에도 열화되지 않는 내구성을 입증했다.

이번 연구는 상전이 현상이 결정구조 변화 없이 전자의 상호작용만으로 가능하다는 점을 실험적으로 입증한 것에 큰 의미가 있다.

서울대학교 손준우 교수는 “박막 도핑 및 원자 제어 기술을 통해 상전이 박막 스위칭 특성을 제어하는 새로운 공정법을 제시했다”라며, “이를 통해 기존보다 빠르고, 반복 구동에도 열화되지 않는 스위칭 소자를 구현할 수 있어 지능형 반도체 및 광소자로의 응용 가능성을 높였다”라고 설명했다.