강유전성 물질은 외부 자극 없이 자발적인 전기 분극(electric polarization) 상태를 가질 수 있어 비휘발성 메모리 소자에 적합한 소재로 활발한 연구가 진행되고 있습니다. 하지만 일반적으로 강유전성 물질은 두께가 얇아짐에 따라 탈분극장(depolarization field)에 의해 분극 상태가 상쇄되어 강유전성을 잃는 특성이 있고, 특히 페로브스카이트 강유전체는 금속과의 계면에서 산소 공극에 의한 피로 발생 및 전하 트랩에 의해 소자 성능이 저하되는 한계를 가지고 있습니다.

최근에 2차원 반도체의 반데르발스 적층 구조에서 층상 구조의 미끄러짐 스위칭(slippery switching)에 의한 분극 스위칭이 가능하다고 보고되면서, 2차원 강유전성 반도체에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 2차원 강유전성 반도체는 강유전성 유전체와 달리 자유 전하에 의한 탈분극장을 상쇄시킬 수 있어 1nm 수준의 두께에서도 강유전성을 유지할 수 있고, 2차원 강유전성 반도체는 약한 층간 미끄러움(interlayer slipperiness) 덕분에 층간 슬라이딩에 대한 스위칭 배리어가 작아 저전압 구동이 가능할 것으로 예상됩니다. 또한 2차원 물질의 반데르발스 계면 덕분에 강유전성 유전체에 비해 금속과의 접촉 계면에 의한 성능 저하로부터 자유롭다는 강점이 있습니다. 하지만 현재 2차원 강유전체 반도체 기반 메모리 소자 연구는 단일 도메인 구조로 합성하는 것이 어려워 기초적인 연구에 머무르고 있습니다. 뒤틀림 각도를 가지고 적층된 반데르발스 강유전체는 각기 다른 stacking sequence를 가지는 여러 도메인의 변형에 의해 스위칭이 일어나기 때문에 도메인 변형 제어가 이루어지지 않는 한 메모리에 적용되기 어려운 문제가 있습니다.

본 연구는 2차원 성장 템플릿을 활용하여 2차원 강유전 반도체의 완전 결맞음(fully commensurate, FC) 구조를 합성할 수 있는 기술을 개발하고, 우수한 메모리 특성과 낮은 구동전압을 가지는 미끄러짐 스위칭(slippery switching)을 이용한 2차원 강유전체 메모리 개발을 목표로 합니다. 본 연구에서는 새로이 개발된 합성법을 적용하여 단일 도메인 2차원 강유전체 제조하고, 이를 반도체 채널로 활용한 강유전반도체 전계제어 소자(Ferroelectric semiconductor field-effect transistor, FeS-FET)를 제작하여 2차원 강유전체 기반 소자 연구의 기틀을 마련하고자 합니다.

단일 도메인을 가지는 강유전성 2차원 채널 소재는 층간 미끄러움 및 층내 원자 간 결합의 견고함 덕분에 강유전체 기반 소자에 활용 시 높은 내구성을 가지며, 층간 미끄러짐 스위칭의 낮은 에너지 배리어는 2차원 강유전체 메모리의 저전압, 초고속 구동을 가능케 할 것으로 기대합니다. 2차원 강유전성 반도체 소재를 통해 차세대 비휘발성 메모리의 스케일링 한계를 극복할 수 있을 것입니다.