아주대 서형탁 교수팀, 강유전성 초전효과를 이용한 초고속 광전자 메모리 개발

국제학술지 'Advanced Materials' 2월 3일자 표지 논문으로 선정

자율주행차·의료기기· 광통신소자 등 IoT 적외선 광센서 활용 기대

아주대  서형탁 교수 연구팀 성과 내용 [사진=아주대]

아주대 서형탁 교수 연구팀이  자율주행차, 의료진단기기 및 광통신소자 등 다양한 분야에 활용이 가능한 강유전성 초전효과를 이용한 초고속 광전자 메모리 소자를 개발하는 데 성공했다.

서형탁 아주대 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 9일 강유전체 초박막에 초전효과를 유도해 초고속·고감도·자가전력의 우수한 성능을 지닌 하프늄 산화물 기반 적외선 광전자 메모리 소자를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.
 
연구팀에 따르면 연구 내용은 ‘강유전성 하프늄 산화물을 이용한 고성능 광학센서와 재구성 초광전메모리(High-Performing Self-Powered Photosensing and Reconfigurable Pyro-photoelectric Memory with Ferroelectric Hafnium Oxide)’라는 제목으로 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced materials)' 지난 3일자 표지 논문으로 선정됐다.

아주대 대학원 에너지시스템학과 쿠마 모히트(Mohit Kumar) 교수가 제1저자로 참여했다.
 

적외선은 가시광선에 비해 투과도가 매우 높은 특성을 지니고 있어 자율주행차량의 전방 모니터링에 활용되는 라이다 시스템 등 이를 이용한 IoT 광센서와 광메모리가 주목받고 있다.

현재 IoT 적외선 광센서는 신호처리 프로세서 및 메모리 저장기능을 통합한 인공지능형 광메모리 개념으로 발전해 저전력으로 고기능성을 구현하기 위한 연구 개발이 진행 중이다.
 
적외선 광을 감지하기 위한 광센서의 동작 원리는 다양하나 그 중 초전효과(Pyroelectric effect) 방식이 실내 침입감지용 센서 등에 활용되고 있다.

초전효과 방식은 적외선이 입사된 소재의 온도 변화로 전기분극(극성 분자의 움직임에 의해 +극와 –극이 서로 다른 위치에 유도되는 현상)이 발생하는 특성을 이용하고 있다.

외부의 빛이나 전기자극에 의해 재료내에서 분극이 유도되는 현상을 ‘자발분극화’ 라고 하며 적외선 감지에는 자발분극성이 뛰어난 소재가 요구된다.
 
아주대 연구팀은 최근 반도체 소재로 많이 활용되고 있는 하프늄 산화물(HfO2) 소재에 주목했다.

하프늄 산화물은 전계에 의해 높은 자발분극효과를 지니는 강유전체 물질로, 집적회로 트랜지스터소자의 게이트 절연막과 강유전체 메모리에 널리 적용되고 있다.

일반적으로 하프늄 산화물은 광흡수 밴드갭이 자외선 영역이므로 적외선을 직접 흡수할 수는 없으나 소재를 적외선 유도 자발분극화에 최적화하고 초고속 적외선 검출방식을 이용하면 적외선을 고감도로 검출할 수 있음은 물론 광입력 신호를 다양한 수준으로 저장할 수 있음을 규명했다.
 
연구팀은 이론 계산을 통해 자발분극이 최대화되는 산소공공 결함(산소가 빠진 빈자리) 밀도를 알아내고, 이를 실리콘 기판 위에 10나노미터 두께로 증착한 하프늄 산화물의 결함 제어에 활용했다. 하프늄 산화물 상부에는 적외선 입사와 광전류 검출 최적화를 위해 은나노전극을 배치했다.
 
그 결과 결함밀도가 최적화된 하프늄 산화물의 자발분극 특성과 전계에 따라 이동하는 산소 음이온에 의한 이온분극 특성까지 더해져 최대 전압구간 10V와 전류구간 10만 암페어의 광메모리 윈도우를 획득할 수 있었으며 전압을 조절해 적외선의 광신호를 다양한 레벨로 저장하는 재구성형 광메모리 기능까지 구현하는 데 성공했다.
 
특히 연구팀은 광센서에 교류 광전류를 이용, 빠르게 꺼짐과 켜짐을 반복하는 적외선 입사광 흡수를 통해 외부 전원 공급 없이 광전효과 기반의 자가전력으로 소자를 구동했다.

연구팀이 개발한 소자의 검출 속도는 60마이크로 초(0.06msec)로 고속 검출이 가능하며, 원자 현미경을 이용해 동일한 초전효과 기반 적외선 검출을 30나노미터 크기에서도 구현할 수 있음을 확인했다.
 
서형탁 교수는 “센서와 집적회로 반도체 소재로 널리 활용되는 실리콘-하프늄 산화물 소재를 이용해 초고감도 적외선 검출과 재구성이 가능한 광메모리를 달성했다는 데 중요한 학문적·기술적 의의가 있다”며 “이 방식을 응용하면 고속·고감도 적외선 검출 소자를 기존의 실리콘 집적회로에 통합하는 것이 가능해지고 저비용·고성능 사물인터넷(IoT) 센서로 적용할 수 있다”고 설명했다.
 
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 주관하는 중견·기본 기초연구지원사업의 지원으로 수행되었으며, 특허 출원이 진행 중이다.