초록 ▼

○ 연구개요
본 과제에서는 반도체 소자의 에너지 문제를 해결하기 위하여 두가지 큰 방향의 연구를 진행하였습니다. 첫째로, 에너지 소비 특면에서 더 효율적인 반도체 소자용 물질로 플루오라이트 기반의 강유전체를 연구하였습니다. 이 물질은 기존의 강유전체와 달리 반도체 공정의 표준물질이며 10 nm 이하의 크기에서도 우수한 강유전성을 보일 수 있습니다. 특히 도핑된 산화하프늄 계열의 물질에서 이러한 특성이 보고되는데, 강유전체의 두가지 분극 상태를 이용하면 에너지 효율면에서 효과적인 비휘발성 메모리를 구현하는 것이 가능합니다. 또한

○ 연구개요
본 과제에서는 반도체 소자의 에너지 문제를 해결하기 위하여 두가지 큰 방향의 연구를 진행하였습니다. 첫째로, 에너지 소비 특면에서 더 효율적인 반도체 소자용 물질로 플루오라이트 기반의 강유전체를 연구하였습니다. 이 물질은 기존의 강유전체와 달리 반도체 공정의 표준물질이며 10 nm 이하의 크기에서도 우수한 강유전성을 보일 수 있습니다. 특히 도핑된 산화하프늄 계열의 물질에서 이러한 특성이 보고되는데, 강유전체의 두가지 분극 상태를 이용하면 에너지 효율면에서 효과적인 비휘발성 메모리를 구현하는 것이 가능합니다. 또한, 반도체 소자에서 발생되는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 데 쓰일 수 있는 플루오라이트 구조의 반강유전체에 대해서 연구하였습니다. 반강유전체에서는 충분한 전계를 가했을 때 나타나는 상전이에 의해서 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있어 반도체 소자의 에너지 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

○ 연구 목표대비 연구결과
우선 강유전성 산화하프늄 물질을 이해하기 위한 연구를 진행하여, 스퍼터링 공정으로 도핑을 하지 않은 상태의 순수한 산화하프늄의 강유전성을 구현하는데 성공하였습니다. 이는 화학적으로 단순한 시스템을 이용하여 불균일성 문제에서 자유로운 소자를 만드는 데 기여할 수 있을 것으로 생각됩니다. 또한, 도핑 효과를 배제함으로써 산소 결핍이 실제 강유전성이 미치는 영향을 연구하였습니다. 연구를 통해서 산소가 결핍된 분위기가 강유전성 준안전상이 생기는 데에 더 유리하다는 것을 규명할 수 있었습니다.
두 번째로 반강유전성 산화하프늄의 물성을 이해하기 위한 연구를 통해서 이론적으로 반강유전성 산화하프늄이 큰 에너지 변환을 일으킬 수 있으며, 이러한 특성이 넓은 온도 범위에서 나타나는지에 대한 연구를 진행했습니다. 이를 통해서 반강유전성산화하프늄이 가지는 우수한 에너지 변환 특성이 외부에서 기인한 것이 아닌 고유한 특성이며, 넓은 온도범위에서 나타나는 전계 유도 상전이 또한 고유한 특성임을 규명할 수 있었습니다. 높은 에너지 변환 밀도는 전계유도 상전이와 관련된 두 결정상의 큰 엔트로피 차이에서 기인하며, 높은 breakdown strength 때문에 넓은 온도범위에서 전계유도 상전이가 가능한 것을 규명하였습니다.
이와 같은 연구를 통해서 본 과제의 목표인 강유전성/반강유전성 산화하프늄 기반박막의 물성에 대한 연구를 성공적으로 수행할 수 있었습니다.

○ 연구개발결과의 중요성
산화하프늄 기반 박막에서 나타나는 강유전성/반강유전성은 특성 측면에서 매우 우수하며, 높은 집적도를 달성한 가능성이 있는 등 물질의 물성 및 거동 측면에서 매우 유망한 특성을 보였습니다. 하지만, 물리적으로 새롭게 발견된 결정상의 특성을 이해하지 못하는 것이 실제 제품에 적용하는 데에 있어서 큰 걸림돌이었습니다. 물리적인 특성을 이해해야 실제 제품의 양산에 도입될 시에 물질의 물성을 적절히 제어할 수 있기 때문에 이는 매우 중요한 문제였습니다. 본 연구를 통해서 신 물질에 대한 기초적인 물성을 깊이 있게 연구할 수 있었으며, 이러한 연구를 기반으로 앞으로 이어질 연구에서 우수한 특성을 가지는 소자의 구현이 가능하고, 산업화를 앞당기는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2.1. HfO₂ 기반 강유전체의 Electrocalroric effect에 대한 이론적 연구 ... 4
• 2.2. 스퍼터링 증착된 순수한 HfO₂ 기반 박막의 강유전성 구현 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 12
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• 대표적 연구실적 ... 19
• 끝페이지 ... 25