포스텍 반도체공학과 이장식 교수 연구팀이 오래 사용해 성능이 떨어지는 '피로 현상'을 겪는 반도체 부품을 다시 원래 상태로 되돌리는 혁신적인 기술을 개발했다. 이번 연구는 'IEEE(전기전자공학자협회) 전자 소자 학회 저널'에 게재됐다.
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| ▲ 포스텍 반도체공학과 이장식 교수. [포스텍 제공] |
11일 포스텍에 따르면 강유전체 메모리는 빠른 속도와 비휘발성을 동시에 갖춘 차세대 메모리 기술로 주목받고 있다. 그러나 반복적인 동작에 따라 메모리 기능이 저하되는 '피로 현상'이 상용화를 가로막는 난제로 남아 있었다.
이는 반도체가 마치 사람처럼 '피로'를 느끼기 때문이다. 반도체의 피로 현상은 전자기기 성능 저하의 주요 원인으로, 이를 해결하는 것은 반도체 업계의 오랜 숙제였다.
연구팀은 반도체의 핵심 부품인 '강유전체 커패시터(전기를 저장하는 장치)'에서 일어나는 미세한 변화에 주목했다. 이 부품 안에는 원자 수준의 작은 '산소 빈자리'가 있는데, 이것이 반도체 피로 현상의 핵심 열쇠였다.
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| ▲ 하프늄 기반 강유전체(HZO) 캐패시터 소자의 세 가지 상태 변화의 모식도. [포스텍 제공] |
산소 빈자리는 양(+)전하를 띠고 있어 반도체를 오래 사용하면 이들이 중앙으로 몰리게 된다. 마치 사람이 피곤할 때 특정 부위에 통증이 몰리듯 산소 빈자리가 한곳에 뭉치면 반도체의 성능이 점차 떨어지게 된다.
주목할 점은 이 '피로 상태'에 있는 반도체에 순간적으로 높은 전압을 걸어주면 반도체 내부 구조가 재정렬되면서 산소 빈자리가 다시 중성 상태로 바뀌고 고르게 분산된다는 것이다. 이 과정을 통해 반도체는 마치 새것처럼 성능을 회복하게 되는데, 연구팀은 이러한 현상을 '회복 상태'라고 명명했다.
이 기술을 활용하면 반도체 소자를 더 오래 쓰면서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 특히 빠른 동작 속도와 신뢰성이 생명인 인공지능, 자율주행차, 사물인터넷 기기 등 첨단 기술 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
이장식 교수는 "이번 성과가 강유전체 소재를 이용한 차세대 반도체 개발에 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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