강유전체 메모리, 100억 번 쓰기 사이클 달성… 우주급 초내구성 저장장치로 도약

실험실에서 100억 재기록 사이클 견디는 강유전체 커패시터 개발

전기적으로 전환 가능한 자발 분극을 가진 강유전체 박막을 이용한 비휘발성 메모리 소자는 초저전력, 고속 쓰기, 이론상 무한 내구성이라는 엄청난 잠재력을 가집니다.

전자 산업은 기존 SSD와 플래시 드라이브보다 더 긴 수명과 빠른 접근 속도를 가진 새로운 비휘발성 메모리 기술을 추구 중입니다. 유망 후보 중 하나가 하프늄 산화물(HfO₂) 기반 메모리입니다. 마이크로일렉트로닉스 업계에 이미 알려진 유전체 소재를 사용합니다.

특정 열처리와 합금 조건에서 얇은 하프늄 산화물 층이 준안정 결정상을 형성해 강유전체 특성을 나타냅니다. 이 결정들은 가해진 전기장의 방향을 '기억'합니다. 새로운 메모리 셀(지르코늄-하프늄 산화물 박막)은 일반 전기 커패시터와 유사하며, 두 전극 사이에 약 10나노미터 두께로 끼워져 있습니다.

나노스케일 전위 분포 직접 측정 돌파구

하프늄 산화물의 강유전체 상이 10년 전 발견됐지만, 과학자들은 나노스케일에서 전위 분포를 직접 측정하지 못했습니다. 모스크바 물리기술대(MIPT) 연구진이 강유전체 커패시터 전체의 전위 분포를 결정하는 독창적 기법을 개발했습니다.

경질 X선 광전자 분광법을 사용해 메모리 커패시터를 탐침했습니다. 강한 단색 X선 빔의 정재파 모드를 이용해 코어 레벨 선 이동을 조사함으로써 국소 정전기 전위를 측정했습니다.

주요 발견

• 지르코늄-하프늄 산화물 층 전체의 전위 프로파일이 비선형이며 분극 전환에 따라 변화함
• 주사 투과 전자 현미경 데이터와 이론 모델링 결합해, 양쪽 인터페이스의 결함과 강유전체 분극에 의해 조절되는 전하 상태가 비선형 전위 거동의 원인임을 규명
• 하프늄 산화물 기반 강유전체 커패시터의 고유 전자적 특성과 메모리 소자 공학적 중요성 새롭게 조명

획기적 성능

연구진이 만든 강유전체 커패시터는 100억 번 재기록 사이클을 견뎠습니다. 현재 플래시 메모리의 약 10만 배 내구성입니다.

반도체 기반 소자와 달리 강유전체 메모리는 외부 방사선 영향을 받지 않습니다. 우주 방사선(우주선) 노출을 견디며 우주 공간에서도 동작 가능합니다. 이는 우주급 저장장치로의 도약을 의미합니다.