오상호 켄텍 교수 연구팀, 전자 밀도의 스위칭 메커니즘 규명

원자분해능 이미지로부터 얻은 LaAlO3/SrTiO3 계면 영역의 이온 분극 맵. /사진제공=한국에너지광과대학교

오상호 한국에너지공과대학교(이하'켄텍') 교수 연구팀이 2차원 전자가스로 구동되는 산화물 소자에서 전자 분포를 실시간 이미징하고, 인가한 전압에 따른 전자 밀도의 스위칭 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

전자의 분포를 나노미터 영역에서 정밀하게 제어하는 것은 반도체 메모리 및 광 소자 구동에 핵심이다. 소자의 크기가 점점 소형화되고 3차원화되면서 전자는 이전보다 훨씬 적은 공간에서 더욱 정밀하게 제어돼야 한다.


따라서 소자가 구동하는 조건에서 전자 분포의 미묘한 변화를 나노영역에서 이미징함과 동시에 스위칭 메커니즘에 영향을 미치는 주요 인자를 밝혀낼 수 있는 분석법의 개발이 매우 중요해졌다.

오 교수 연구팀은 이종 산화물 (LaAlO3/SrTiO3) 계면에 약 1nm 폭으로 형성되는 2차원 전자가스에 수직 방향으로 전압을 인가하며 전자 밀도의 변화를 인라인 전자홀로그래피를 이용해 서브나노미터 분해능으로 이미징하는 데 성공했다.

전극에 전압을 -3V에서 +3V를 인가함에 따라 유닛셀 면적 당 약 0.4개의 전자(0.4e/a2)가 감소하고 증가하는 것을 관찰했다. 이러한 전자 밀도의 변화는 에너지손실분광법으로부터 Ti 이온 가전자 상태의 3+와 4+ 비율과 동조돼 변화하는 것을 확인했다.

이종 산화물 (LaAlO3/SrTiO3)계면에서 인가 전압에 따른 2차원 전자가스 밀도의 변화는 지금까지 산소공공의 움직임에 의한 것으로 추정됐다. 연구팀은 전자의 스위칭 과정에서 계면 영역의 원자구조를 실시간 이미징한 결과, LaAlO3 층에 전압에 의해 유도된 이온 분극이 2차원 전자가스의 분포를 변화시키는 주된 요인임을 밝혀냈다.


벌크 상태의 란타늄 알루미네이트(LaAlO3는)는 통상 인가 전압에 의해 이온 분극이 발현되지 않지만, 얇은 박막 상태로 SrTiO3기판에 강하게 구속돼있는 상태에서 전기장이 유도되면 이온 분극이 발현될 수 있음도 밝혀냈다.

오 교수는 "작동하는 소자의 스위칭 과정에서 전자의 분포 변화를 직접 이미징할 수 있는 전자현미경 분석법은 여러 반도체 및 광소자에 적용이 가능한 매우 유용한 기술이다"며 "이러한 분석법은 기존에 알려지지 않은 새로운 물리 현상을 발견하는데 중요한 역할을 할 것이며, 연구 결과는 향후 극한 조건에서 작동하는 산화물 소자, 전력반도체의 개발 및 VNAND 메모리 소자, LED 등의 디스플레이 소자의 성능 향상에 활용할 수 있다"고 말했다.

이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 및 과기부 산하 한국연구재단의 개인기초 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구에는 오 교수, 임창범 미국 위스콘신-메디슨대 교수, 이재광 부산대 교수, 엄기태 가천대 교수, 이형우 아주대 교수가 공동 저자로 참여했으며, 서진솔 박사 (현 삼성전자)가 제 1저자로 참여했다. 연구결과는 영국에서 설립된 Nature-Springer 사의 국제학술지 Nature Communications에 온라인으로 지난달 20일 실렸다.