에너지시스템학과

<아주대 이형우 교수 연구팀. 사진 왼쪽부터 엄기태 박사, 이형우 교수, 전재영 학생, 이민경 박사>

우리 학교 물리학과 이형우 교수 연구팀이 반도체 분야의 핵심 기술 중 하나인 복합 산화물 소재와 관련해 연이어 우수 연구 성과를 발표했다. 

이형우 교수(물리학과∙대학원 에너지시스템학과)는 차세대 비휘발성 메모리 개발을 위한 유망 기술 중 하나인 저항 스위칭 소자와 관련하여 새로운 방법론을 제시했다고 밝혔다. 관련 내용은 지난 5월 저명 학술지 <스몰(Small)>에 게재됐다. 

논문 제목은 “산화물 이종구조 내 산소공공 점결함 집단제어를 통한 점진적 저항 스위칭 (Collective Control of Potential-Constrained Oxygen Vacancies in Oxide Heterostructures for Gradual Resistive Switching)”이다. 이형우 아주대 교수가 교신저자로, 엄기태 성균관대 연구교수와 김성규 세종대 교수가 함께 참여했다. 

연구팀은 해당 논문에서 저항 스위칭 소자(Resistive Switching Devices)의 한계를 극복하기 위해 점 결함을 집단적으로 제어할 수 있는 새로운 방법론을 제시했다. 저항 스위칭 소자는 차세대 비휘발성 메모리 개발을 위한 유망 기술 중 하나다. 지금까지 제안된 저항 스위칭 메커니즘들은 대부분 산화물 등의 유전체(Dielectric) 물질 내에 존재하는 점 결함(Point Defects)을 재배치하여 전도성 필라멘트(Conducting Filament)를 만들고 해당 필라멘트의 길이를 변화시켜가며 소자의 저항값을 제어한다. 

그러나 이러한 필라멘트 기반 소자에서는 저항 스위칭의 재현성과 신뢰도가 좋지 않고, 전기 잡음이 크다는 한계가 존재한다. 이에 아주대 연구진은 페로브스카이트 산화물 LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO) 이종구조에서 LAO층의 두께를 6단위셀(Unit-cells) 즉, 약 2.4 nm 정도로 얇게 합성하고 LAO 상부에 금속 전극을 증착, 초박막 저항 스위칭 소자를 제작했다. 연구진은 LAO 박막의 두께를 극단적으로 얇게 만듦으로써 산소공공 점 결함을 LAO 박막 전체에 균일하게 분포하도록 유도했다. 추가적으로 LAO/STO 계면(Interface)에 존재하는 2차원 전자가스(2D Electron Gas: 2DEG)를 하부 전극으로 사용함으로써 새로운 개념의 초박막 저항 스위칭 소자를 개발해 낼 수 있었다.

이형우 교수는 “점 결함의 집단적 제어를 통해 저항 스위칭 소자의 신뢰성과 재현성을 혁신적으로 개선할 수 있음을 입증해낸 성과”라며 “저항 스위칭 기술의 상용화뿐 아니라 인공 시냅스 개발 등 뉴로모픽 소자 기술에도 활용될 것으로 기대한다”고 설명했다. 

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구와 기초연구실지원사업 (BRL)의 지원을 받아 수행됐다. 

이형우 교수 연구팀은 또한 물리학 및 재료과학 분야에서 큰 관심을 받고 있는 기능성 산화물에 대한 리뷰 논문을 발표했다. 논문은 “기능성 산화물 이종구조 개발을 위한 극성 퍼터베이션(Polar Perturbations in Functional Oxide Heterostructures)”으로, <어드밴스트 펑서녈 매터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 5월호에 실렸다. 

연구팀은 산화물 박막 및 이종구조의 물성 파악을 넘어 이를 임의로 제어할 수 있는 원리와 방법을 다각도로 제안했다. 종합적인 소재 제어 방법론과 지식은 새로운 기능성 소재 및 응용 소자 개발 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

해당 논문에는 아주대 이형우 교수가 공동 교신저자로 참여했고, UNIST 오윤석 교수, 중국과학기술대학(University of Science and Technology of China)의 링페이왕(Lingfei Wang) 교수, 성균관대 최우석 교수, 울산대 김태헌 교수가 함께 연구를 수행했다. 한국연구재단의 우수신진연구와 기초연구실지원사업 (BRL)의 지원을 받았다.

<산화물 소재의 극성 섭동(Polar Perturbation) 및 그 응용방안 모식도>