아주 작은 트랜지스터는 전자장치 혁명의 핵심이다. 펜 스테이트 대학교 재료과학자들이 기능성 산화물(functional oxides)이라고 불리는 물질 중 하나인 산화바다늄(vanadium oxide)을 장치에 통합시키는 새로운 기술을 사용하여 트랜지스터의 성능을 강화하는 새로운 기술개발에 성공했다.
"현재의 트랜지스터 기술을 대체하는 것은 쉬운 일이 아닌데, 그 이유는 반도체가 그런 역할을 하기 때문이다. 그렇지만 성능을 더욱 개선하기 위해 기존의 장치에 추가할 수 있는 산화바다늄과 같은 일부 물질은 존재한다"고 재료과학 및 재료공학과 조교수인 로만 엔젤-헐버트(Roman Engel-Herbert) 교수는 말했다.
연구진들은 바다늄과 산소의 특수 결합에 불과한 산화바다늄이 금속-절연체간 변화(metal-to-insulator transition)라고 불리는 특이한 특성을 가지고 있다는 사실을 알아냈다. 금속 상태에서, 전자는 자유운동을 하지만 절연 상태에서는 이동할 수가 없다. 산화바다늄의 본질적 특성이 이러한 온/오프 변화도 컴퓨터 로직과 메모리의 기본이 된다.
연구진들은 트랜지스터에 가깝게 산화바다늄을 추가하게 되면 트랜지스터의 성능이 개선될 것이라는 아이디어가 있었다. 비슷하게, 메모리 셀에 이것을 추가하게 되면, 읽고 쓰며 정보 상태를 유지하기 위한 에너지 효율성과 안정성을 개선할 수도 있을 것이다. 그들이 직면한 중요한 도전적인 문제는 효율적인 고품질의 산화바다늄이 소위 웨이퍼 규모에서 즉, 산업계에서 사용되는데 필요한 규모에서 박막필름 상에서 생장이 결코 진행되지 않는다는 것이다. 목표하는 합성물인 산화바다늄은 단순해 보이지만, 합성하기가 매우 어렵다. 예리한 금속-절연체간 변화를 생성하기 위해서는, 바다늄과 산소의 합성 비율이 정밀하게 제어되어야 한다. 이 비율이 정확하게 맞으면, 이 물질은 효율적으로 강력한 온/오프 반응에 충분한 저항의 4배 이상의 성능을 보여 줄 것이다.
[Nature Communications] 온라인 저널에 발표된 논문에서, 이 대학교 연구팀은 세계 최초로 전체 웨이퍼 상에서 완벽하게 바다늄과 산소를 1:2의 비율로 합성하여 3인치 크기의 사파이어 웨이퍼 상에 산화바다늄 박막필름의 생장에 성공했다고 밝혔다. 이 물질은 더욱 에너지효율적인 트랜지스터 생성을 이끌게 될 소위 하이퍼-FET(hyper-FET)라는 하이브리드 전계 효과 트랜지스터(hybrid field effect transistors) 제작에 사용될 것이다. [Nature Communications]에 올해 초 발표된 논문에서, 이 대학교 수만 다타(Suman Datta) 교수가 이끈 연구그룹은 산화바다늄의 추가가 상온에서 예리하고 복원가능한 스위칭을 제공하여, 셀프-히팅 효과를 감소시키고 트랜지스터에 소요되는 에너지 필요조건도 낮춘다는 사실을 보여주었다.
그렇지만 더 많은 것이 있다. 산화바다늄의 적용은 기존의 메모리 기술에도 도움이 되는데, 이 대학교 연구진들은 적극적으로 이 문제 해결을 추진 중이다. "산화바다늄이 가진 금속-절연체간 변화 특성은 확대된 장치(augmentation device)로 이것을 사용하여 가장 최신의 비휘발성 메모리의 성능을 이상적으로 향상시키고 흥미롭게도 일부 메모리 알키텍처에서는 실렉터(selector)로 기능할 수도 있다"고 이 대학교 전기공학과 조교수이자 통합회로 및 장치 연구실(Integrated Circuits and Devices Lab) 그룹 리더인 수미트 굽타(Sumeet Gupta) 교수는 말했다.
셀렉터(selector)는 메모리칩에서의 읽고 쓰는 정보가 주변의 셀에 영향을 주지 않고 하나의 독자적인 메모리 셀 내부에서 수행되도록 보장한다. 셀렉터는 셀의 비저항(resistivity)을 변화시킴으로써 작동하고, 산화바다늄은 매우 잘 어울리는 물질이다. 추가로, 산화바다늄에서의 비저항성의 변화는 읽기 작동능력의 강력함을 상당히 향상시키는 역할을 할 수 있다.
로만 엔젤-헐버트(Roman Engel-Herbert) 교수 연구그룹의 박사과정 학생이자 현재 발표된 논문의 선임 저자인 하이-티안 창(Hai-Tian Zhang)씨는 "바다늄과 산소의 정확한 비율을 결정하기 위해, 우리는 사파이어 웨이퍼 전체에 걸쳐 변하는 바다늄/산소 비율을 가지고 동시에 산화바다늄을 처리하는 일반적이지 않은 접근법을 적용했다. 이러한 바다늄/산소 비율 사전을 사용하여, 우리는 최적의 결합비율을 결정하기 위한 유속 연산(flux calculations)을 사용할 수 있었고, 그 결과 필름 내에서 이상적인 비율인 1:2 비율을 확인했다. 이 새로운 방식은 산업계에 적용되기 위한 최적의 조건을 신속하게 식별할 수 있도록 하여, 일련의 시간이 많이 걸리고 지루한 시행착오 시험을 피하게 한다"고 말했다.
이러한 방식으로 생장된 산화바다늄 박막필름 물질은, 이 대학교 및 통신 분야에서 중요한 기술을 보유하고 있는 로테르담 대학교 다타(Datta) 교수 연구그룹과의 협력을 통해 아주 우수한 고주파수 스위치 제작에 사용될 수 있을 것이다. 이러한 스위치는 기존의 방치보다 수십 배 높은 컷오프 주파수를 보여준다. 이 연구결과는 12월에 반도체 및 전자장치 산업에서 기술적인 발전을 보고하는 유명한 포럼인 [IEEE International Electron Device Meeting]에서 발표될 예정이다.
"우리는 이러한 온오프 반응을 가지는 일련의 물질이 메모리, 로직 그리고 통신장치에서 읽고 쓰고 계산하는 작동에 대한 에너지 효율성과 강력함을 향상시키는 것과 같이 정보기술 분야에서 다양한 방식으로 도움이 될 것이다. 당신이 웨이퍼 규모에서 고품질 산화바다늄을 만들 수 있다면, 사람들은 사용될 방식에 대해 많은 아이디어를 제출하게 될 것"이라고 로만 엔젤-헐버트(Roman Engel-Herbert) 교수는 말했다.
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』