2.2 강유전체(Ferroelectric 소재의 응용)

Polarization in Materials

• Electronic Polarization : 전자 분극은 전기장이 가해질 때, 원자나 분자의 전자 구름이 변형되면서 발생하는 분극
• Ionic Polarization : 이온 분극은 전기장이 가해질 때 양이온과 음이온이 서로 반대 방향으로 이동하며 발생하는 분극이다.
• Orientation Polarization : 배향 분극은 전기장이 가해질 때, 영구 쌍극자를 가진 분자들이 전기장의 방향에 따라 정렬되며 발생하는 분극이다.

 

강유전체(Ferroelectric) 

• 자발전 분극 보유, 외부 전기장 없어도 분극 존재
• 연구 분극, 전기장에 따른 분극 방향 번경 가능
• 뚜렷한 Hysteresis 곡선
• 메모리 소자, 센서, 액추에이터에 사용

상유전체(Paraelectric)

• 자발적 분극 없음, 외부 전기장에 의함 분극만 존재
• 전기장 존재시 일시적 분극
• 히스테리시스 곡선 없음
• 고주파 스위치, 필터, 위상 조정기에 사용

 

Polarization Curve

히스테리시스 루프는 강유전체의 기본 특성을 설명

자발(포화) 분극(Ps) :

• 외부 전기장없이 달성되는 최대 분극으로 P-E 루프가 분극 축을 따라 포화에 도달하는 지점
• 물질이 비중심 대칭 구조로 인해 분극 상태를 유지할 수 있는 고유한 성질

잔류 분극(Pr) :

• 외부 전기장이 제거된 후에도 강유전체는 일정 수준의 분극을 유지하며 이를 잔류 분극이라 함
• 외부전기장이 제거된 후 곡선이 분극 축과 교차하는 P-E 루프에서 볼 수 있음

항전기장(Coercive field, Ec):

• 자성체에서 자발 분극이나 자발자화 방향을 반대로 바꾸기 위한 최소한의 외부 전기장
• 원치않는 분극 반전을 방지하는데 중요한 물질의 강도를 나타내며 따라서 장치의 안정성과 효율성에 영향을 미침
• 전기장 축과 루프가 교차하는 지점에서 발생

 

• 히스테리시스 루프:
  • X축: 전압 (Voltage)
  • Y축: 분극 (Polarization)
  • 강유전체에서 전기장을 가하거나 제거할 때, 분극(P)의 변화 경로를 나타냄.
• 주요 지점:
  • (A): 음의 잔류 분극 P=−Pr  (도메인이 음의 방향으로 정렬).
  • (B): 분극이 0 (P=0, 도메인들이 상쇄됨).
  • (C): 양의 포화 분극 P=+Ps (모든 도메인이 양의 방향으로 정렬).
  • (D): 양의 잔류 분극 P=+Pr (전기장 제거 후에도 일부 도메인이 양의 방향 유지).
  • (E): 음의 포화 분극 P=−Ps(도메인이 음의 방향으로 완전히 정렬).
• 도메인 벽 이동:
  • 전기장이 가해지면 도메인 벽이 이동하며 도메인 방향이 전기장 방향으로 변화.
  • 전기장이 제거되어도 일부 도메인은 방향을 유지(잔류 분극)

 

 

위는 강유전성을 나타내는 결정구조이다.

 

Perovskite 구조(ABO3)

• 위는 BaTiO3이고 Ba가 A, Ti가 B, 그다음에 O3가 오는 구조임을 알 수 있다. 이는 대칭 구조를 가지므로 분극을 가지지 않는데 위에서 보면 원래 음이온이 대칭구조를 가지고 있다가 무게중심에서 살짝 shift되어 polarization이 생김.
• 이런 Perovskite구조는 높은 잔류 분극을 가짐.
• 에너지 밴드갭이 낮아 누설 전류를 가짐.
• 신리콘과의 결정 구조 차이로 인해 계면 특성 취약
• 금속-산소 원자 간 결합 에너지가 상대적으로 낮아 결함 등에 의한 신뢰서 ㅇ문제
• 70nm 이하 두께에서 강유전성 특성 저하 

 Fluorite 구조

 

 

• 풀루오라이트 구조를 가진 물질은 입방 단위정을 형성하며, 도핑이나 결함 도입을 통해 비중심 대칭 환경을 만들어 강유전 특성을 나타낼 수 있음.
• HfO2이 대표적인 소재임. CMOS 공정 호환성과 나노스케일 강유전성, 높은 에너지 밴드갭, 단순한 화학 조성으로 인해 강유전체의 메모리 응용에서 가장 널리 사용됨. 

강유전체의 소재 응용

1) Ferroelectric Random Access Memory (FeRAM)

• 1개이 트랜지스터와 1개의 캐퍼시터 구조(DRAM과 동일)
• 비휘발성(DRAM은 휘발성)
• 읽기/쓰기 작업시 전력 소비, 데이터 유지를 위한 소비 불필요

 

2) Ferroelectric Field-Effect Transistors (FeFETs)

• 강유전체를 게이트 절연체로 사용하는 트랜지스터(MOSFET과 유사)
• 자발 분극을 활용한 비휘발성 메모리 구현
• 게이트 전압을 통해 분극 방향을 조정하여 1 또는 0 저장
• 비휘발성임.
• DRAM보다 작동 속도도 더 빠름
• 쓰기 : 양 또는 음의 전압 인가로 분극 방향 설정
• 읽기 : 낮은 전압 인가로 비파괴적 상태 확인

3) Ferroelectirc Tunnel Junction

• 두 전극(M1, M2)사이의 얇은 강유전체(FE) 장벽
• ON 상태 : 낮은 터널링 저항(LRS)
• OFF 상태 : 높은 터널링 저항(HRS)
• 데이터 저장 : 분극 방향 0 = 높은저항. 1 = 낮은 저항
• 비휘발성임

Ferroelectirc Phases in NanoScale

준안정 상의 안정성 향상

• HfO2의 경우, 나노스케일에서 강유전성을 가진 사방정계상이 안정화 됨.
• 이는 벌크상태에서는 열역학적으로 안정하지 않은 상이 나노스케일에서는 안정화될 수 있음을 보여줌

계면효과

• 박박의 두께가 감소함에 따라 계면의 영향이 더욱 중요
• 기판과의 계면 웅력이나 전극과의 상호작용이 강유전성 상의 안정화에 기여하기 때문

Wake-up Effect

HfO2 기반 강유전성 박막에서 전기장 순환 초기 단계에서 강유전 특성, 특히 잔류 분극(remanent polarzation)이 향상되는 현상

 

Negative Capacitance FET

• 일반적인 캐퍼시터의 동작과는 반대로 전압이 증가할 때 전하가 오히려 감소하는 현상
• 강유전체의 에너지 함수에서 음의 2차항이 존재함으로 인해, 특정 전기장 구간에서 전기장이 증가할 때 분극이 감소하는 영역이 나타남
• 이에따라 negative capacitance가 가능해 짐.

강유전체 물질의 장점

비휘발성, 고속 동작, 저전력 소비., 고집적도, CMOS 호환성(기존 반도체 공정과 호환)

 

강유전체 물질의 단점

내구성 문제(반복 분극 반전으로 피로 현상), 신뢰성(데이터 손실 가능), 공정 복잡성, Scalability(소형화)

 

미래 개발 방향

소재 최적화, 3차원 구조 활용, 다기능 소자 개발(메모리와 로직 기능 결합), 인공지능 응용