▲ (a)바나듐 산화물 (VO2)의 절연체-금속 전이 시 발생하는 구조적 전이 및 Ti 도핑된 VO2 에서 보이는 등구조·무응력 절연체 금속 전이에 대한 모식도. (b)Ti 도핑된 VO2 샘플 내 국부적 영역에서 V-V 원자쌍의 짧은 격자 질서도(short-range order)가 있는 나노 도메인을 관측한 결과

국내 연구진이 10억 번 이상 반복된 스위칭에도 열화되지 않는 소자 기술을 개발해 지능형 반도체 및 광소자에 응용이 기대되고 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 손준우 서울대 교수, 최시영 포항공대 교수 연구팀이 전류 스위칭 시 부피 변화 없는 절연체-금속 상전이 박막 형성 소재 기술을 개발하고, 이를 통해 열화없는 고속 스위칭 지능형 반도체 응용 전략을 제안했다고 7일 밝혔다.

특정 임계 전압에 다다르면 소재 특성이 절연체에서 금속으로 바뀌어 전기 전도도가 급격히 증가하는 상전이 바나듐 산화물 반도체는 응집물리의 양자현상 기초연구뿐만 아니라, 저전력 광전자 소자 및 뉴로모픽 신소자를 위한 차세대 소재로 주목받고 있다.

그러나 급격한 전기적 상전이로 결정구조 및 부피 변화가 동시에 발생하면서 소자의 내구성에 치명적인 문제가 야기된다. 이를 해결하기 위해선 구조적 상변이 및 이로 인한 응력 발생을 최소화하는 연구가 필수적이다.

연구팀은 바나듐 산화물 상전이 신소재(VO2) 내 타이타늄(Ti) 이온 도핑을 통해 규칙적 결정구조의 질서를 교란, 상전이 시 발생하는 부피 변화 제거에 성공했다. 과냉각된 Ti가 도핑된 VO2 박막의 경우 기존과는 달리 금속-절연체 전기적 상전이 시 저항이 크게 변화함에도 격자 상수는 변화하지 않았다.

특히 전자현미경 분석을 통해 급속도로 냉각된 얼음 및 유리상과 같은 이차 상전이의 특징이 등구조(isostructural)/무응력(zero-strain) 상전이를 구현하는데 중요한 요인임을 규명했다.

무응력 상전이 박막은 나노초 이하의 빠른 상전이 스위칭 속도와 10억 번 이상의 반복 스위칭 이후에도 열화되지 않는 특성을 보였으며, 이를 통해 내구성이 높은 상전이 기반 반도체 소재 구현에 실마리를 제공해 줄 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 이번 연구를 통해 상전이 현상이 결정구조 변화 없이 전자의 상호작용만으로 가능하다는 것을 실험적으로 입증해냈다.

손준우 교수는 “박막 도핑 및 원자 제어 기술을 통해서 상전이 박막 스위칭 특성을 제어할 수 있는 신공정법을 제시했다”며, “기존보다 빠르고, 수많은 반복 구동에도 열화되지 않는 스위칭 소자를 구현할 수 있다는 점에서 추후 상전이 기반 신소재의 지능형 반도체 및 광소자 응용 가능성을 높였다”고 설명했다.

한편 이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2024년 11월27일 게재됐다.