'저전력 구동' 멤트랜지스터 개발 성공…메모리 반도체 소재 제약 풀리나

심우영 연세대 교수팀, III-V족 저전력 멤트랜지스터 소재 개발
반데르발스 갭 내 이온 이동 기반…연구성과, 네이쳐 머터리얼스 게재
기존 전이금속 기반 문제 극복…반도체 소재 제한성 해결 가능성 제시

[서울=뉴시스] 심우영 연세대 교수 연구팀이 연구팀이 기존의 전이금속 기반의 멤트랜지스터에 비해 저전력으로 구동이 가능한 새로운 소재(III-V족 원소 기반 반도체)의 멤트랜지스터 개발에 성공했다. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]심지혜 기자 = 국내 연구팀이 기존의 전이금속 기반의 멤트랜지스터에 비해 저전력으로 구동이 가능한 새로운 소재(III-V족 원소 기반 반도체)의 멤트랜지스터 개발에 성공했다. 메모리 반도체의 소재 제한성을 해결할 수 있는 가능성을 보여줬다는 평가다.

과기정통부는 미래소재디스커버리사업과 기초과학연구원 프로그램으로 심우영 연세대 교수 연구팀이 수행한 이같은 연구 성과가 재료 분야의 국제 학술지 '네이처 머터리얼스'에 게재됐다고 28일 밝혔다.

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

이에 심우영 교수 연구팀 등은 기존 높은 전력소모와 제한된 소재 활용 한계를 극복하는 신소재를 발굴하는데 초점을 두고 연구를 수행했다.

멤트랜지스터는 멤리스터(Memristor)와 트랜지스터(Transistor)의 합성어로 멤리스터 특성과 트랜지스터 특성을 함께 가지는 능동소자를 말한다.

트랜지스터는 '메모리'와 '로직' 소자의 근간이 되는 능동소자다. 반도체 물질을 사용해 전기 신호를 제어하는 역할을 한다. 메모리는 데이터 저장 역할을, 로직소자는 논리연산을 수행한다.

멤리스터는 전압과 전류의 관계를 기억하는 특성을 갖고 있어 새로운 형태의 수동 메모리 소자로 주목받고 있다.

트랜지스터와 멤리스터는 각각 독립적으로 작동하며 상호 호환되지 않아 이를 연결해 사용하는 방식이 활용돼 왔다. 이 과정에서 소자의 밀도가 커지는 문제가 발생했다.

최근 기술이 발전하면서 전기 소자의 크기를 줄이기 위한 노력의 일환으로 트랜지스터와 멤리스터의 기능을 하나로 통합하려는 시도가 이뤄지면서 멤트랜지스터가 부각되고 있다.

[서울=뉴시스] 심우용 연세대 교수 연구팀이 제안한 구조는 반도체 채널에서 이온과 전자/홀 동시제어가 가능한 소재개발로서 이를 이용해서 멤트랜지스터 제작이 가능하다. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

심 교수 연구팀은 우선 저전력으로 반데르발스 갭 내부의 이온의 이동이 가능하면서도 반도체 특성을 발현하는 새로운 이차원 III-V족 화합물 반도체 소재를 개발하고 작동 원리를 규명했다.

반데르발스 물질은 흑연처럼 여러 겹의 원자층이 쌓인 소재를 말한다. III-V족 원소는 III족 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), V족 질소(N), 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)이다.

연구팀은 새로운 소재를 찾기 위해 다량의 데이터를 빠르게 처리하는 고속 계산법을 활용해 주기율표에서 이온 이동이 가능한 층상형 구조를 가진 물질 후보군을 찾았다. 그 중에서 반도체로 사용될 수 있는 III-V족 기반 40개의 후보 물질을 도출했다.

40개 후보 물질 중 10종의 화합물을 최종 선별한 후 합성에 성공했다. 소재 내부에서 이온이 움직이는 것을 실험으로 증명하고 이온 이동에 따른 메모리 특성이 발현되는 것을 검증했다.

이와 함께 반도체 특성도 함께 확인해 새로운 III-V족 화합물 반도체 소재가 메모리와 트랜지스터로 모두 활용될 수 있고, 이를 통해 시냅스 작동이 저전력으로 구현될 수 있다는 것을 증명했다.

[서울=뉴시스] 심우용 연세대 교수 연구팀은 저전력으로 구동이 가능한 새로운 이차원 III-V족 화합물 반도체 소재 기반의 멤트랜지스터 개발에 성공했다. 해당 소재는 이온 이동이 가능한 층상형 구조를 가진 물질 후보군 40종 중 10종의 화합물을 최종 선별했다. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

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

나아가 다양한 III-V족 및 그 외의 물질에서도 같은 원리를 적용할 수 있으면, 제한적인 멤트랜지스터 소재군을 확장시킬 수 있을 전망이다.

심 교수는 이번 연구에 대해 "III-V족 멤트랜지스터는 반데르발스 갭 내의 이온 이동에 의한 메모리 특성과 III-V족 반도체 특성이 동시에 결합된 최초의 멤트랜지스터"라며 "새로운 멤트랜지스터의 메커니즘을 선보였을 뿐 아니라 저전력 및 균일성을 확보 할 수 있다는 장점이 있다"고 설명했다.

이어 "멤트랜지스터 소재 개발의 새로운 패러다임을 제시하고 이를 실험적 구현한 만큼 의미가 크다"면서 "기존 실리콘 기술과 호환되면서 저전력이 가능한 멤트랜지스터에 대한 수요를 새로운 III-V족 멤트랜지스터로 충족 가능할 것으로 기대된다"고 했다.

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