- 모트 절연체를 이용한 차세대 소자 개발 가능성 열어 -

IBS 원자제어저차원전자계 연구단(단장 염한웅)이 모트 절연체의 금속-절연체 상전이를 이용한 초고속 나노소자 기반기술 개발에 성공했다. 상전이 조작은 차세대 메모리로 유망한 P램 제조의 핵심 기술이다. 이번에 고안된 기술은 기존보다 약 1천배 빠른 속도로 1천분의 1 수준의 미세한 범위까지 상전이가 가능해, 초고속·고집적·고용량 P램 제조의 가능성을 열었다.

물질은 전류가 흐르는 정도에 따라 도체와 부도체(절연체)로 나뉜다. 대표적인 도체는 금속이 있으며, 금속결합으로 자유전자가 있어 전류가 흐르기 쉽다. 반면 부도체는 나무, 고무, 유리 등의 금속을 제외한 대부분의 물질로, 공유결합이나 이온결합을 하며 자유전자가 없어 전류가 흐르기 어렵다. 이에 연구진은 특정 부도체에 아주 미세한 전압펄스를 가하여, 신속하고 정확하게 도체와 부도체의 경계를 넘나들게 하는데 성공하였다.

본연구단은 일반적인 부도체와는 달리 자유전자가 있으나, 전자 간 척력으로 인해 전자가 고립되어 부도체 성질을 보이는 모트절연체에 주목했다. 연구진은 그 중에서도 부도체에서 도체로의 상전이가 증명된 이황화탄탈(1T-TaS2)을 실험 소재로 채택했다. 이황화탄탈은 극저온상태(4.3 K)에서 결맞음 전하밀도파4)를 갖는 모트절연체이다.

전하밀도파가 결맞음 상태에 있으면 전자가 일정간격을 두고 고립되어 모트절연체가 된다. 최근 광자를 외부 자극 에너지원으로 사용하여 전하밀도파의 결을 깨고 전하가 흐를 수 있는 상태, 즉 도체로의 상전이 성공이 보고되었다. 반응시간은 피코(p, 10의 마이너스 12승)초 이하로, 기존의 상전이 메모리 물질들의 상전이 조작 보다 평균적으로 1000배 이상 빠른 상전이가 가능함을 보여주었다. 하지만 이 경우 적용 범위가 수 마이크로(μ, 10의 마이너스 6승)미터로 넓고, 복잡한 광학 장비가 함께 필요하다는 점에서 해당기술의 상용화가 힘들었다.

이에 IBS 연구진은 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)을 이용해 기존 실험의 한계를 극복했다. 광자 대신 STM의 미세한 탐침으로부터 나오는 전압펄스로 이황화탄탈의 결맞음 전하밀도파를 깨, 나노미터 영역의 상 전이에 성공했다. 반복적인 실험에서도 이황화탄탈의 결정구조와 성질은 고스란히 유지(가역성)됐고 전이된 상태는 장시간 유지(비휘발성)돼 정보기록에 용이함을 증명해 보였다. 그렇지만 이번의 경우에도 극저온(4.3 K)과 초고진공이라는 환경이 필수적으로 수반되어야 하므로, 상온에서 이황화탄탈과 같은 성질을 갖는 소재를 찾는 것이 여전히 과제로 남아있다.

이번 연구성과는 상전이 적용 범위와 반응 시간을 고려할 경우, 향후 P램(PRAM: Phase-change Random-access Memory)의 핵심기술로 활용할 수 있을 것으로 보인다. 이로써 모트절연체 상전이를 이용한 고속소자 개발에 한발 더 다가가게 되었다.