10억번 이상 스위칭해도 끄떡없는 '반도체 신소재'

10억번 이상 스위칭해도 끄떡없는 '반도체 신소재'

입력2025.02.07. 

 

10억번 이상 반복된 스위칭에도 내구성이 떨어지지 않는 소자 개발 기술이 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공

 

 

10억번 이상 반복된 전류 스위칭에도 내구성이 떨어지지 않는 소자를 개발하는 기술이 개발됐다. 차세대 반도체 소재로 주목받는 '상전이 바나듐 산화물 반도체'의 내구성을 높이는 데 도움이 될 전망이다.

한국연구재단은 손준우 서울대 교수, 최시영 포스텍 교수 연구팀이 전류 스위칭 시 부피 변화가 없는 절연체-금속 상전이 박막 형성 소재 기술을 개발하고 열화없는 고속 스위칭 지능형 반도체 응용 전략을 제안했다고 7일 밝혔다.

상전이 바나듐 산화물 반도체는 특정 임계 전압에 다다르면 소재 특성이 절연체에서 금속으로 바뀌어 전기 전도도가 급격히 증가한다. 이 반도체는 저전력 광전자 소자 및 뉴로모픽 신소자를 위한 차세대 소재로 주목받고 있다. 응집물리의 양자현상을 연구하는 수단이기도 하다.

하지만 상전이 바나듐 산화물 반도체는 급격한 전기적 상전이로 결정 구조 및 부피가 동시에 변화하면서 소자의 내구성에 치명적인 문제가 생긴다. 구조적 상변이 및 이로 인한 응력 발생을 최소화하는 연구가 필요하다.

연구팀은 바나듐 산화물 상전이 신소재 내에서 이온 도핑을 통해 규칙적 결정구조의 질서가 교란되는 것을 막고 상전이 시 발생하는 부피 변화를 제거하는 데 성공했다. 과냉각된 이온이 도핑된 바나듐 산화물 상전이 신소재의 박막은 전기적 상전이 시 저항이 크게 변화함에도 격자 상수는 변화하지 않았다.

바나듐 산화물 상전이 신소재의 박막은 나노초 이하의 빠른 상전이 스위칭 속도와 10억 번 이상의 반복 스위칭 후에도 열화되지 않는 특성을 보였다. 열화란 소재가 외부적 또는 내부적 영향에 따라 화학적·물리적 성질이 나빠지는 현상을 가리킨다.

연구팀은 이번 연구를 통해 결정구조 변화 없이 전자의 상호작용만으로 상전이 현상이 가능하다는 것을 실험적으로 입증했다. 손 교수는 “박막 도핑 및 원자 제어 기술을 통해서 상전이 박막 스위칭 특성을 제어할 수 있는 신공정법을 제시했다”며 “수많은 반복 구동에도 열화되지 않는 스위칭 소자를 구현할 수 있다는 점에서 상전이 기반 신소재의 지능형 반도체 및 광소자 응용 가능성을 높여 줬다”고 설명했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난해 11월 게재됐다.

<참고자료>
-doi.org/10.1002/adma.202413546

이채린 기자 rini113@donga.com