차세대 인메모리 컴퓨팅 가능한 화합물반도체 신소재 개발

저전력 구동 가능한 ‘멤트랜지스터’ 개발
“멤트렌지스터 소재 개발, 새로운 패러다임 제시”

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

과학기술정보통신부는 차세대 인메모리 컴퓨팅이 가능한 화합물반도체 신소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

과기정통부에 따르면 심우영 연세대학교 교수 연구팀은 기존 전이금속 기반의 멤트랜지스터에 비해 저전력으로 구동이 가능한 새로운 소재(III-V족 원소 기반 반도체)의 멤트랜지스터를 개발했다

‘트랜지스터’는 ‘메모리’와 ‘로직’ 소자 근간이 되는 능동소자다. 전압과 전류 관계를 기억하는 특성을 가진 멤리스터(Memristor)는 새로운 형태의 수동 메모리 소자로 주목 받았다.

트랜지스터와 멤리스터는 각각 독립적으로 작동하며 상호 호환되지 않아 이를 연결해 사용하는 방식이 활용됐다. 이로 인해 소자 밀도가 커지는 문제가 발생했다.

최근 기술이 발전하면서 전기 소자 크기를 줄이기 위한 노력의 일환으로, 트랜지스터와 멤리스터의 기능을 하나로 통합하려는 시도가 이루어지면서 ‘멤트랜지스터’가 부각되고 있다고 과기정통부 측은 설명했다.

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

심우영 교수 연구팀과 공동연구팀(한국세라믹기술원 김종영 박사, IBS 천진우 단장, 연세대 박철민 교수, Aloysius Soon 교수)은 기존 높은 전력소모와 제한된 소재 활용 한계를 극복하는 신소재를 발굴하는데 초점을 뒀다.

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 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 10종 화합물을 최종 선별한 후 합성에 성공했다. 소재 내부에서 이온이 움직이는 것을 실험으로 증명하고, 이온 이동에 따른 메모리 특성이 발현되는 것을 검증했다.

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

과기정통부는 “이번 연구는 기존 전이금속 기반 멤트랜지스터의 비균일성과 저효율 문제를 극복하는 새로운 III-V족 화합물반도체 소재를 개발한 데 의의가 있다”며 “이를 멤트랜지스터로 활용함으로써 메모리 및 반도체 산업 분야의 소재 제한성을 해결할 수 있는 가능성을 보여줬다”고 평가했다.

심 교수는 “멤트랜지스터 소재 개발의 새로운 패러다임을 제시하고 이를 실험적 구현한 것에 큰 의미가 있다”라며 “기존 실리콘 기술과 호환되면서 저전력이 가능한 멤트랜지스터에 대한 수요를 새로운 III-V족 멤트랜지스터로 충족 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.