10억 번 반복 구동에도 열화 없는 상전이 박막 기술 개발

10억 번 반복 구동에도 열화 없는 상전이 박막 기술 개발

한국연구재단은 서울대학교 손준우 교수와 포항공과대학교 최시영 교수 연구팀이 전류 스위칭 시 부피 변화가 없는 절연체-금속 상전이 박막 소재 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 고속 스위칭 반도체 응용을 위한 새로운 전략을 제시한 점에서 주목받고 있다.

연구팀은 특정 임계 전압에서 절연체에서 금속으로 특성이 변화하는 상전이 바나듐 산화물(VO2) 소재를 활용해, 전류 스위칭 시 발생하는 부피 변화를 제거하는 데 성공했다. 기존 VO2 박막과 달리, 타이타늄(Ti) 이온 도핑을 통해 격자 상수 변화 없이 전기적 상전이가 가능한 등구조/무응력 상전이를 구현했다. 이는 상전이 시 발생하는 소재 내 응력을 해결한 사례로 평가된다.

무응력 상전이 박막은 나노초 이하의 빠른 스위칭 속도를 보였으며, 10억 번 이상의 반복 스위칭에서도 성능 저하 없이 높은 내구성을 입증했다. 연구팀은 이번 성과가 상전이 기반 반도체 소자의 내구성 문제를 해결하고 지능형 반도체 및 광소자 개발에 기여할 것으로 기대했다.

연구는 전자현미경 분석을 통해 Ti 도핑된 VO2 샘플 내에서 나노 도메인 영역의 구조적 이질성과 무질서함이 부피 변화 없는 상전이를 가능하게 하는 주요 요인임을 규명했다. 이를 통해 상전이가 결정구조 변화 없이 전자 상호작용만으로 가능하다는 점을 실험적으로 입증했다.

손준우 교수는 "박막 도핑과 원자 제어 기술을 통해 상전이 박막의 스위칭 특성을 제어할 수 있는 신공정을 제시했다"며 "이는 기존보다 빠르고 반복 구동에도 성능이 저하되지 않는 스위칭 소자를 구현할 수 있는 기반을 마련했다"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2024년 11월 27일 자로 게재됐다. 이 연구는 차세대 반도체 기술 개발의 중요한 전환점으로 평가된다.