한국기술교육대·경희대 연구팀, 강유전체 나노점 분극 스위칭 규명

[아이뉴스24 정종윤 기자] 한국기술교육대학교와 경희대학교 연구팀이 하프늄-지르코늄 산화물(HZO) 나노점에서 강유전체 분극 스위칭 거동을 정량적으로 규명했다.

초소형 구조에서도 안정적인 동작 가능성을 확인한 이번 성과는 차세대 비휘발성 메모리 소자의 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 연구 결과로 평가된다.

2일 한국기술교육대에 따르면 강유전체 기반 강유전체램(FeRAM)은 빠른 동작 속도, 저전력 소비, 높은 내구성을 동시에 구현할 수 있어 차세대 메모리 소자로 주목받고 있다.

이 가운데 HZO는 기존 반도체 공정과 호환성이 뛰어나 상용화 가능성이 높지만, 소자 미세화에 따른 스위칭 한계와 구동 전기장에 대한 물리적 이해는 부족했다.

연구팀은 직경 30~50나노미터(㎚) 규모의 단결정 HZO 나노점을 제작해, 나노스케일에서의 분극 도메인 벽 이동 속도와 분극 스위칭에 필요한 활성화 전기장을 정밀하게 분석했다.

그 결과 10㎚ 이하의 초박막 구조에서도 안정적인 분극 스위칭이 가능함을 입증했으며, 인가 전압에 따라 도메인 벽 이동 속도가 지수 함수적으로 증가하는 ‘머즈(Merz) 법칙’을 실험적으로 확인했다.

또 나노점의 형상비를 조절해 스위칭 장벽과 활성화 전기장을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 설계 지침을 제시, 소자 설계의 새로운 가능성을 열었다.

이번 성과는 단결정 수준의 강유전체 나노점에서 분극 스위칭 거동을 정량적으로 규명한 세계적으로도 드문 사례다. 기존 벌크·박막 중심 연구를 넘어 소자 스케일링 한계 극복의 방향성을 제시했다는 점에서 의미가 크다.

안윤호 한국기술교육대 교수는 이번 연구의 제1저자이자 공동 교신저자로 참여했으며, 성과는 물리·재료 과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, 영향력지수 19.0)’에 8월 27일 온라인 게재됐다.

논문 제목은 ‘에피택셜 하프늄-지르코늄 산화물 나노점에서의 강유전체 분극 스위칭 및 활성화 전기장의 스케일링 효과’다.