[로이슈 전여송 기자]
한국에너지공과대학교(박진호 총장직무대행, 이하 KENTECH)는 오상호 교수 연구팀이 2차원 전자가스로 구동되는 산화물 소자에서 전자 분포를 실시간 이미징하고, 인가한 전압에 따른 전자 밀도의 스위칭 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

KENTECH에 따르면 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 제어되어야만 한다. 따라서, 소자가 구동하는 조건에서 전자 분포의 미묘한 변화를 나노영역에서 이미징함과 동시에 스위칭 메커니즘에 영향을 미치는 주요 인자를 밝혀낼 수 있는 분석법의 개발은 매우 중요하다.

탐침을 이용해 표면의 전도도를 측정하는 원자력현미경은 표면의 제한된 정보만 얻을 수 있으며, 더욱이 탐침의 크기로 인해 분해능이 제한되어 소자 내 나노영역에서 전자의 이미징은 불가능하다.

전자빔을 이용해 전자를 이미징하기 위해서는 반드시 위상차 컨트라스트 이미징법을 사용해야만 한다. 하지만, 수십 나노미터 두께로 박편화된 소자에 전압을 인가함과 동시에 위상차 이미징법을 적용하는 것은 고난이도 실험으로서, 미묘한 전자 밀도의 변화를 감지하기란 매우 어렵다.

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

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

이종 산화물(LaAlO3/SrTiO3) 계면에서 인가 전압에 따른 2차원 전자가스 밀도의 변화는 지금까지 산소공공의 움직임에 의한 것으로 추정되어 왔다. 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 LaAlO3는 강유전체가 아니므로 통상 인가 전압에 의해 이온 분극이 발현되지 않지만, 얇은 박막 상태로 SrTiO3기판에 강하게 구속되어 있는 상태에서 전기장이 유도되면 이온 분극이 발현될 수 있음을 밝혀냈다.

오상호 교수는 “작동하는 소자의 스위칭 과정에서 전자의 분포 변화를 직접 이미징할 수 있는 전자현미경 분석법은 여러 반도체 및 광소자에 적용이 가능한 매우 유용한 기술”이며, “이러한 분석법은 기존에 알려지지 않은 새로운 물리 현상을 발견하는데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.

연구결과와 관련해서는 “향후 극한 조건에서 작동하는 산화물 소자, 전력반도체의 개발 및 VNAND 메모리 소자, LED 등의 디스플레이 소자의 성능 향상에 활용 가능하다”고 의미를 부여했다.

이번 연구 성과에는 오상호 교수, 미국 위스콘신-메디슨 대학교 엄창범 교수, 부산대학교 이재광 교수, 가천대학교 엄기태 교수, 아주대학교 이형우 교수가 공동저자로 참여하고, 서진솔 박사(현 삼성전자)가 제 1저자로 참여했다.

또한 영국에서 설립된 Nature-Springer 사의 국제학술지 Nature Communications에 온라인으로 6월 20일에 실렸으며(논문명 Field-induced modulation of two-dimensional electron gas at LaAlO3/SrTiO3 interface by polar distortion of LaAlO3), 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터 및 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 개인기초 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr