국산 분석장비를 활용해 레이저로 반도체 구조를 자유롭게 설계하고 그리는 기술이 개발돼 차세대 확률 컴퓨팅 소자 구현 가능성이 열렸다.
한국기초과학지원연구원(KBSI) 전략장비개발연구단 홍웅기 박사팀은 국내 라만장비 전문기업 ㈜위브와 '라만분광-주사형 광전류 이미징 융합분석시스템'을 고도화했다고 19일 밝혔다.
이 장비는 물질의 분자구조와 결정 정보를 알려주는 '라만분광' 기술과 발생한 전류분포를 보여주는 '주사형 광전류 이미징' 기능을 하나의 광학계와 소프트웨어로 통합한 플랫폼이다.
이를 통해 연구팀은 상변화 산화물 반도체 V2O3, VO2의 원자 배열을 레이저로 정밀 조절하는 '토포택틱 상전이(Topotactic Phase Transition)' 기술을 구현했다.
V2O3, VO2는 온도나 외부 자극에 따라 금속처럼 전기가 잘 통하다가 절연체처럼 통하지 않는 물질로, 상이 바뀔 때 전기적 성질이 크게 달라져 메모리 소자, 스위칭 소자, 센서 등 차세대 반도체 응용에 중요하다.
토포택틱 상전이는 건물 뼈대는 그대로 둔 채 내부 인테리어만 바꾸듯, 결정 구조 틀은 유지하면서 산소 원자 배치만 바꿔 물질 성질을 전환하는 기술이다.
연구팀은 레이저를 쏘는 위치에 따라 금속과 반도체 특성을 10억 분의 1에서 100만 분의 1 크기로 직접 그리는 데 성공했다.
이는 복잡한 미세공정이나 열처리 없이도 소자 기능을 선택적으로 바꿀 수 있는 '재구성 반도체' 제작을 가능하게 한다.
이를 통해 연구팀은 한 시료 내에서 물질 구조 변화와 전류 흐름을 연속적으로 관찰하며, 결과를 즉시 소자 설계에 반영할 수 있는 새로운 방식을 제시했다.
아울러 복잡한 반도체 미세공정이나 후속 열처리 없이 상변화 제어만으로 소자 기능을 선택적으로 재구성할 수 있음을 입증했다.
기존 연구가 상변화 현상의 확인이나 물질 전체의 물성을 변화시키는 수준에 머물렀다면, 이번 연구는 레이저를 이용해 나노-마이크로 크기 영역에 금속과 반도체 특성을 원하는 위치와 형태로 직접 그리는 기술을 구현한 것이다.
이 같은 접근은 빛과 열로 전기를 생성하는 광열전소자 구현으로 이어져 차세대 에너지 소자와 센서 소자의 구체적인 실용화 방향을 제시한다.
이번 연구의 핵심 기반인 라만분광-주사형 광전류 이미징 융합분석시스템은 ㈜위브와 국산 연구장비 기술경쟁력 강화 사업을 통해 고도화 한 결과다.
그동안 고성능 융합분석 시스템은 수입에 의존했다. 이번 국산화는 수입 대체 효과와 더불어 반도체, 이차전지, 바이오 등 전략 기술 분야 소재 연구에 폭넓게 활용될 전망이다.
이번 연구는 KBSI 홍웅기 박사가 총괄하고, 한국재료연구원(KIMS) 윤종원 박사팀이 상변화 산화물 반도체 시료 제작과 물성 평가를, 한국세라믹기술원(KICET) 장훈수 박사가 레이저 조사 시 발생하는 빛과 열에 따른 상태 변화를 예측하는 다중 물리 계산을 수행해 실험 결과의 물리적 메커니즘을 뒷받침했다.
홍 박사는 "이번에 고도화한 국산 라만융합장비는 소재 구조와 소자 성능을 하나의 플랫폼에서 연속 분석할 수 있는 독보적인 도구"라며 "상변화 산화물 반도체의 확률적 성질과 레이저 기반 상변조 기술을 결합해 차세대 확률 컴퓨팅 구현을 위한 핵심소자 제어연구를 강화하겠다"고 말했다.
한편, 이번 연구성과는 지난 9일 국제학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다.
(논문명: Programmable Topotactic Phase Transformation of Correlated Mott Oxides toward Reconfigurable Photothermoelectric Devices (IF=16.1, JCR 상위 10%, KBSI 홍웅기(제1저자/교신저자), 윤종원(공동제1저자/공동교신저자), 장훈수(공동제1저자))
