차세대 인메모리 컴퓨팅이 가능한 화합물반도체 신소재 개발

- 반데르발스 갭 내 이온 이동 기반 III-V족 저전력 멤트랜지스터 소재 개발 

비휘발성 3단자 소자의 예시. 현재 플래시 메모리와 강유전 FET구조가 많이 사용된다(왼쪽 2개). 이번 연구에서 제안된 구조(맨 오른쪽)는 반도체 채널에서 이온과 전자/홀 동시제어가 가능한 소재개발로서 이를 이용해서 멤트랜지스터 제작이 가능하다. (자료제공: 과기정통부)

과학기술정보통신부(장관 유상임, 이하 과기정통부)는 연세대학교 심우영 교수 연구팀이 기존의 전이금속 기반의 멤트랜지스터에 비하여 저전력으로 구동이 가능한 새로운 소재(III-V족 원소기반 반도체)의 멤트랜지스터를 개발했다고 8월 28일 밝혔다.

멤트랜지스터(Memtransistor)는 멤리스터(Memristor)와 트랜지스터(Transistor)의 합성어로 멤리스터 특성과 트랜지스터 특성을 함께 가지는 능동소자이다. III-V족 원소는 III족 : 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), V족 : 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)을 말한다.

‘트랜지스터’는 ‘메모리’와 ‘로직’ 소자의 근간이 되는 능동소자이다. 전압과 전류의 관계를 기억하는 특성을 가진 멤리스터(Memristor)는 새로운 형태의 수동 메모리 소자로 주목받아왔다. 

트랜지스터와 멤리스터는 각각 독립적으로 작동하며 상호 호환되지 않아 이를 연결해 사용하는 방식이 활용되었으며, 이로 인해 소자의 밀도가 커지는 문제가 발생했다. 최근 기술이 발전하면서 전기 소자의 크기를 줄이기 위한 노력의 일환으로, 트랜지스터와 멤리스터의 기능을 하나로 통합하려는 시도가 이루어지면서 ‘멤트랜지스터’가 부각되고 있다.

하지만, 지금까지 개발된 멤트랜지스터는 높은 전력을 필요로 하고 소자 간 성능 차이가 크다는 문제가 있었다. 또한 대부분 전이금속 물질로 구성되어 있어 사용할 수 있는 소재가 제한적이었다.

이에 연세대학교 심우영 교수 연구팀과 공동연구팀(한국세라믹기술원 김종영 박사, 기초과학연구원 천진우 단장, 연세대 박철민 교수, Aloysius Soon 교수)은 기존 높은 전력소모와 제한된 소재 활용 한계를 극복하는 신소재를 발굴하는데 초점을 두고 연구를 수행하였다. 

그 결과 저전력으로 반데르발스 갭 내부의 이온의 이동이 가능하면서도 반도체 특성을 발현하는 새로운 이차원 III-V족 화합물 반도체 소재를 개발하고 작동 원리를 규명하는데 성공했다. 

연구팀은 새로운 소재를 찾기 위해 다량의 데이터를 빠르게 처리하는 고속 계산(High-throughput)법을 활용하여 주기율표에서 이온 이동이 가능한 층상형 구조를 가진 물질 후보군을 찾았으며, 그중에서 반도체로 사용될 수 있는 III-V족 기반 40개의 후보 물질을 도출했다.

40개 후보 물질 중 10종의 화합물을 최종 선별한 후 합성에 성공하였으며, 소재 내부에서 이온이 움직이는 것을 실험으로 증명하고, 이온 이동에 따른 메모리 특성이 발현되는 것을 검증했다. 동시에, 반도체 특성도 함께 확인하여 새로운 III-V족 화합물 반도체 소재가 메모리와 트랜지스터로 모두 활용될 수 있으며, 이를 통해 시냅스 작동이 저전력으로 구현될 수 있음을 증명했다.

이번 연구는 기존 전이금속 기반 멤트랜지스터의 비균일성과 저효율 문제를 극복하는 새로운 III-V족 화합물반도체 소재를 개발한 데 의의가 있다. 아울러 이를 멤트랜지스터로 활용함으로써 메모리 및 반도체 산업 분야의 소재 제한성을 해결할 수 있는 가능성을 보여주었다.

심우영 연세대학교 교수는 “이번 연구는 멤트랜지스터 소재 개발의 새로운 사고틀(패러다임)을 제시하고 이를 실험적 구현한 것에 큰 의미가 있다”며 “기존 실리콘 기술과 호환되면서 저전력이 가능한 멤트랜지스터에 대한 수요를 새로운 III-V족 멤트랜지스터로 충족 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.

김종영 한국세라믹기술원 박사는 “그래핀, 질화붕소 등 많은 2차원 물질은 전기적 물성을 제어하기 어려운 부분에 대하여 데이터 기반의 물질설계 방법론을 적용하여 반도체 성질을 갖는 다양한 세라믹 소재를 설계할 수 있는가능성을 보여주었다는 점에 큰 의미가 있다”고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 미래소재디스커버리사업과 기초과학연구원 프로그램으로 수행됐다. 연구성과는 재료 분야의 국제 학술지 ‘Nature Materials’에 8월 28일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]