초록 ▼

연구개요
본 연구과제의 목표는 기존의 단일층 터널링 장벽이 아닌, 강유전체 박막과 상유전체 박막으로 구성된 겹층 터널링 장벽을 가지는 강유전체 터널 접합을 이용하여 인간의 뇌를 모사한 뉴로모픽 컴퓨팅에 쓰일, 성능이 향상된 인공 시냅스 소자를 개발하는 데 있다. 특히 인공 시냅스 소자에서 일어나는 전자 및 이온의 전도 현상을 원자 힘 현미경 기술을 이용하여 나노스케일에서 심도있게 분석하고자 하였다.

연구 목표대비 연구결과
1차년도에는 수행기간이 6개월이었던 만큼 본 연구의 출발점인 단일층 터널링 장벽을 갖는

연구개요
본 연구과제의 목표는 기존의 단일층 터널링 장벽이 아닌, 강유전체 박막과 상유전체 박막으로 구성된 겹층 터널링 장벽을 가지는 강유전체 터널 접합을 이용하여 인간의 뇌를 모사한 뉴로모픽 컴퓨팅에 쓰일, 성능이 향상된 인공 시냅스 소자를 개발하는 데 있다. 특히 인공 시냅스 소자에서 일어나는 전자 및 이온의 전도 현상을 원자 힘 현미경 기술을 이용하여 나노스케일에서 심도있게 분석하고자 하였다.

연구 목표대비 연구결과
1차년도에는 수행기간이 6개월이었던 만큼 본 연구의 출발점인 단일층 터널링 장벽을 갖는 축전기 구조의 강유전 초박막을 고품질로 제작하는데 집중하였다. 핵심인 강유전막으로는 최근 학계는 물론 산업계에서 큰 주목을 받고 있는 (Hf,Zr)O₂ (HZO)를 선택하였다. RF 스퍼터의 공정변수 및 후-열처리(post annealing) 과정을 최적화함으로써 고품질 HZO 박막을 만들 수 있었다.
2차년도에는 제작한 강유전 초박막 축전기에서의 강유전성 및 분극에 따른 터널링 전류 차이, 즉 tunneling electroresistance (TER) 효과 등 전기적 물성을 확인하고자 하였다. 압전 감응 힘 현미경 (piezoresponse force microscopy, PFM)를 이용하여 3 nm 강유전 초박막에서도 강유전성을 확인하였으며, 전도성 원자 힘 현미경(conductive-atomic force microscopy)을 이용하여 동일한 강유전 초박막에서 TER 효과도 확인하였다.
3차년도에는 상부전극을 Ti, Ag, Pt 등 달리하여 TER 효과 및 인공 시냅스 효과를 연구하였다. 특히 전기화학적으로 활성 전극인 Ag를 이용하여 Ag 이온의 산화/환원 및 이동이 TER 효과에 어떠한 영향을 주는지 연구하였다. 또한 원래 계획한 바와 같이 상유전체막인 TiO_x를 강유전 HZO막 위에 증착한, 겹층 터널링 장벽을 갖는 강유전체 터널 접합 소자를 만들었고, 이를 주사 탐침 현미경 기법을 이용하여 TER를 비롯한 여러 가지 물성을 연구하였다.
마지막 4차년도에는 강유전막의 두께를 변화시켜가며 TER, retention, 인공 시냅스 효과 등을 연구함으로써 최적의 겹층 터널링 장벽을 갖는 소자를 찾고자 하였다. 특히 초기 계획하지 않았던 crossbar array 구조의 소자를 제작하여 물성을 탐구하였고, 2차원 물질, WSe₂을 함께 적층하여 광학메모리로의 응용 가능성까지 활발히 연구하였다.
위에 기술한 바와 같이 초기 계획했던 연구 목표들을 충실히 달성하였을 뿐만 아니라, 보다 창의적인 응용 가능성까지 타진해보았다는 점에서 본 연구는 성공적이었다고 평가할 수 있겠다.

연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구개발성과는 최근 학계는 물론 산업계에서도 큰 관심을 갖고 있는 HZO 초박막 기반 강유전 소자를 제작하고 그 물성을 최신 주사 탐침 현미경 기술기반으로 심도 있게 연구했다는 점에서 매우 중요하다. 특히 소자 개발과 관련하여 중요한 concept을 확인했다는 점에서 산업적인 파급효과도 크다고 할 수 있다. 또한 박막 제작 노하우 및 주사 탐침 현미경 기반 분석 노하우를 축적함으로써 국내 강유전체 연구 분야에 관련 인프라를 제공할 수 있다는 점에서도 큰 의미가 있다. 마지막으로 본 연구개발결과는 장차 doped-HfO2 박막이 산업적으로 응용됨에 있어 중요한 기초 자료로 사용될 수 있다는 점에서도 중요하다. 또한 응용의 걸림돌이 되는 문제를 풀 수 있는 돌파구도 제공해줄 수 있을 것으로 기대한다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 연구의 필요성 ... 4
• 1.2 연구의 핵심가설 및 도출근거 ... 4
• 1.3 최종 연구목표 ... 5
• 1.4 연차별 연구내용 및 연구범위 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 2.1 고품질 (Hf,Zr)O2 (HZO) 박막 제작 및 물성 측정 ... 8
• 2.2 Conductive-AFM (C-AFM) 기술을 이용한 S-FTJ의 국소적인 영역에서의 분극 방향에 따른 전자의 터널링 현상 이해 ... 10
• 2.3 상부 전극(Ti, Ag, Pt)에 따른 S-FTJ의 물성 분석 ... 11
• 2.4 B-FTJ crossbar array memristor 제작 및 물성 측정 ... 12
• 2.5 반데르발스 반도체를 이용한 HZO crossbar array 광검출 및 자가 정류 특성 ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 16
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 16
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 3) 목표 달성 수준 ... 16
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 17
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 자체점검표 ... 18
• 7. 참고문헌 ... 18
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 19
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 24
• 끝페이지 ... 36