[ReCOE] Phys.Rev.Lett. 논문 게재
Polarization Relaxation Induced by a Depolarization Field in Ultrathin
Phys. Rev. Lett. 95, 237602 (2005)
컴퓨터와 MP3나 PDA등의 휴대용 전자기기가 발달함에 따라 사용되는 소자들의 크기도 점차 작아지는 추세에 있다. 소자가 작아짐에 따라 마당 효과 트랜지스터에서의 게이트 산화물의 두께가 매우 얇아져 양자 역학적 터널 현상을 일어나게 되고 이것이 마당 효과 트랜지스터의 물리적 한계를 결정짓는다. 이처럼 소자에 쓰이는 소재들의 물리적 한계가 소자의 최소 크기를 한정 짓는 현상이 나타나고, 이에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 이 중 전원을 꺼도 정보가 지워지지 않는 비휘발성 메모리 소자의 강력한 후보 물질인 강유전체에 대한 두께 한계가 최근에 주목을 받고 있다.
얼마 전 Nature에 BaTiO3 강유전체에서 강유전성이 사라지는 임계 두께에 대한 이론 결과가 발표되었다. 이 논문에 따르면 SrRuO3를 전극으로 쓰는 BaTiO3 축전기는 BaTiO3의 두께가 2.4 nm에 이르면 BaTiO3는 강유전성을 잃어버린다. 전극과 강유전 박막 사이의 경계면이 매우 깨끗하다 하더라도, SrRuO3 전극의 가리기 길이 때문에 강유전체의 분극으로 생긴 속박 전하를 완전히 보상하지 못하게 된다. 이렇게 남은 속박전하에 의해 분극 소거장이 생기고 이 분극 소거장의 크기가 BaTiO3 박막이 얇아질수록 점점 커져, 분극을 유지하기가 어려워지고 2.4 nm에 이르러 강유전성이 사라진다. 하지만, 이 이론은 매우 얇은 강유전체 박막에서 분극 소거장이 충분히 클 때, 분극이 시간에 따라 어떻게 될지는 설명하지 못한다.
최근 서울대학교 물리학부의 노태원 교수 실험실에서 5 nm 두께의 매우 얇은 BaTiO3 박막을 증착하여 강유전성을 관찰하였으며, 두께에 따른 분극이 Nature에 발표된 논문에서의 결과를 따른다는 것을 보였다. [Y. S. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 86, 102907 (2005)] 본 실험에서는 앞의 시료를 이용하여 시간에 따른 분극의 변화를 관찰하고, 분극 소거장이 생기는 원인과 그 크기를 실험적으로 확인했다.
30 nm 이하의 BaTiO3 박막에서 기존의 두꺼운 박막에서는 나타나지 않는 급격한 분극 감소를 관찰하였고, 박막의 두께가 얇아짐에 따라 감소가 더욱 빨라지는 것을 보았다. 이런 분극 감소는 1초 안에 거의 모든 잔류 분극이 사라지므로 강유전체의 잔류 분극을 이용한 소자에 심각한 문제가 된다. 잔류 분극이 분극 소거장에 의해 감소한다는 사실에 착안해 외부 전압으로 분극 소거장을 상쇄하여 잔류 분극의 감소를 늦출 수 있고, 충분히 큰 전압으로 분극의 감소를 멈출 수 있을 것이라 생각하였다. 외부 전압 하에서 분극 감소가 느려지는 것을 확인하였고, 박막의 두께에 따라 분극 감소를 막을 수 있는 전기 마당의 세기를 얻을 수 있었다. 분극 감소를 막는 전기 마당의 크기는 두께에 따라 증가하였다.
강유전체 내에 분극 소거장을 만들어내는 데에는 강유전체와 전극의 유전율, 전극의 가리기 길이가 관련한다. 강유전체의 유전율은 C-V 측정을 통해 쉽게 알 수 있지만, 전극의 유전율은 전극이 도체이므로 쉽게 알아낼 수 없다. 분극 소거장을 구해내는데 필요한 전극의 유전율은 전극 물질 내의 자유전자 외의 속박전하와 포논에 의해 생기는 정적 유전율임에 유의해야 한다. 전극의 유전율은 전기적인 측정방법으로는 알아낼 수 없으므로, 분광학을 이용해 자유전자의 기여를 모두 제거하여 정확한 값을 얻었다. 위의 값들을 이용하여 분극 소거장의 크기를 계산하였다. 계산된 분극 소거장이 항전기장에 비해 매우 커 쉽게 분극 반전이 일어나 분극이 빠르게 감소할 것이라는 것을 예상할 수 있으며, 앞서 외부 전압을 통해 분극 감소를 멈추는 실험을 통해 알아낸 분극 소거장의 크기와 매우 잘 일치하는 것을 발견하였다. 이 같은 결과는 SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3 축전기가 분극 소거장에 의해 빠른 분극 감소를 보이며 이 분극 소거장은 전극 물질의 물리적 특성에 의해 생겨남을 의미한다.
매우 얇은 축전기에서 전극 물질의 물리적인 특성에 의해 매우 큰 분극 소거장이 생긴다는 것은 축전기의 두께에 물리적인 한계가 있다는 뜻이다. 매우 큰 분극 소거장은 강유전성이 사라지는 임계 두께를 만들 뿐 아니라, 더 두꺼운 박막에서도 매우 빠른 분극 감소 현상을 일으켜 임계 두께보다 더 심각한 두께 한계를 야기한다. 강유전체 축전기의 물리적 한계를 좀 더 낮추기 위해서는 적당한 전극 물질의 탐색이 필요하다.
김동직, 조지영, 김용수, 장영준, 이종석, 노태원(서울대), 윤종걸(수원대), 송태권(창원대)
Phys. Rev. Lett. 95, 237602 (2005)
컴퓨터와 MP3나 PDA등의 휴대용 전자기기가 발달함에 따라 사용되는 소자들의 크기도 점차 작아지는 추세에 있다. 소자가 작아짐에 따라 마당 효과 트랜지스터에서의 게이트 산화물의 두께가 매우 얇아져 양자 역학적 터널 현상을 일어나게 되고 이것이 마당 효과 트랜지스터의 물리적 한계를 결정짓는다. 이처럼 소자에 쓰이는 소재들의 물리적 한계가 소자의 최소 크기를 한정 짓는 현상이 나타나고, 이에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 이 중 전원을 꺼도 정보가 지워지지 않는 비휘발성 메모리 소자의 강력한 후보 물질인 강유전체에 대한 두께 한계가 최근에 주목을 받고 있다.
얼마 전 Nature에 BaTiO3 강유전체에서 강유전성이 사라지는 임계 두께에 대한 이론 결과가 발표되었다. 이 논문에 따르면 SrRuO3를 전극으로 쓰는 BaTiO3 축전기는 BaTiO3의 두께가 2.4 nm에 이르면 BaTiO3는 강유전성을 잃어버린다. 전극과 강유전 박막 사이의 경계면이 매우 깨끗하다 하더라도, SrRuO3 전극의 가리기 길이 때문에 강유전체의 분극으로 생긴 속박 전하를 완전히 보상하지 못하게 된다. 이렇게 남은 속박전하에 의해 분극 소거장이 생기고 이 분극 소거장의 크기가 BaTiO3 박막이 얇아질수록 점점 커져, 분극을 유지하기가 어려워지고 2.4 nm에 이르러 강유전성이 사라진다. 하지만, 이 이론은 매우 얇은 강유전체 박막에서 분극 소거장이 충분히 클 때, 분극이 시간에 따라 어떻게 될지는 설명하지 못한다.
최근 서울대학교 물리학부의 노태원 교수 실험실에서 5 nm 두께의 매우 얇은 BaTiO3 박막을 증착하여 강유전성을 관찰하였으며, 두께에 따른 분극이 Nature에 발표된 논문에서의 결과를 따른다는 것을 보였다. [Y. S. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 86, 102907 (2005)] 본 실험에서는 앞의 시료를 이용하여 시간에 따른 분극의 변화를 관찰하고, 분극 소거장이 생기는 원인과 그 크기를 실험적으로 확인했다.
30 nm 이하의 BaTiO3 박막에서 기존의 두꺼운 박막에서는 나타나지 않는 급격한 분극 감소를 관찰하였고, 박막의 두께가 얇아짐에 따라 감소가 더욱 빨라지는 것을 보았다. 이런 분극 감소는 1초 안에 거의 모든 잔류 분극이 사라지므로 강유전체의 잔류 분극을 이용한 소자에 심각한 문제가 된다. 잔류 분극이 분극 소거장에 의해 감소한다는 사실에 착안해 외부 전압으로 분극 소거장을 상쇄하여 잔류 분극의 감소를 늦출 수 있고, 충분히 큰 전압으로 분극의 감소를 멈출 수 있을 것이라 생각하였다. 외부 전압 하에서 분극 감소가 느려지는 것을 확인하였고, 박막의 두께에 따라 분극 감소를 막을 수 있는 전기 마당의 세기를 얻을 수 있었다. 분극 감소를 막는 전기 마당의 크기는 두께에 따라 증가하였다.
강유전체 내에 분극 소거장을 만들어내는 데에는 강유전체와 전극의 유전율, 전극의 가리기 길이가 관련한다. 강유전체의 유전율은 C-V 측정을 통해 쉽게 알 수 있지만, 전극의 유전율은 전극이 도체이므로 쉽게 알아낼 수 없다. 분극 소거장을 구해내는데 필요한 전극의 유전율은 전극 물질 내의 자유전자 외의 속박전하와 포논에 의해 생기는 정적 유전율임에 유의해야 한다. 전극의 유전율은 전기적인 측정방법으로는 알아낼 수 없으므로, 분광학을 이용해 자유전자의 기여를 모두 제거하여 정확한 값을 얻었다. 위의 값들을 이용하여 분극 소거장의 크기를 계산하였다. 계산된 분극 소거장이 항전기장에 비해 매우 커 쉽게 분극 반전이 일어나 분극이 빠르게 감소할 것이라는 것을 예상할 수 있으며, 앞서 외부 전압을 통해 분극 감소를 멈추는 실험을 통해 알아낸 분극 소거장의 크기와 매우 잘 일치하는 것을 발견하였다. 이 같은 결과는 SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3 축전기가 분극 소거장에 의해 빠른 분극 감소를 보이며 이 분극 소거장은 전극 물질의 물리적 특성에 의해 생겨남을 의미한다.
매우 얇은 축전기에서 전극 물질의 물리적인 특성에 의해 매우 큰 분극 소거장이 생긴다는 것은 축전기의 두께에 물리적인 한계가 있다는 뜻이다. 매우 큰 분극 소거장은 강유전성이 사라지는 임계 두께를 만들 뿐 아니라, 더 두꺼운 박막에서도 매우 빠른 분극 감소 현상을 일으켜 임계 두께보다 더 심각한 두께 한계를 야기한다. 강유전체 축전기의 물리적 한계를 좀 더 낮추기 위해서는 적당한 전극 물질의 탐색이 필요하다.
김동직, 조지영, 김용수, 장영준, 이종석, 노태원(서울대), 윤종걸(수원대), 송태권(창원대)