차세대 인메모리 컴퓨팅 위한 반도체 신소재 개발

비휘발성 3단자 소자 및 반도체 채널에서 이온과 전자/홀 동시제어가 가능한 소재개발 구조 개념도. 심우영 교수 제공

차세대 인메모리 컴퓨팅이 가능한 화합물 반도체 신소재가 개발됐다. 이를 활용해 메모리 및 반도체 산업 분야 소재 제한성 해결이 가능해질 전망이다.

과학기술정보통신부는 심우영 연세대 교수 연구팀이 기존 전이금속 기반 멤트랜지스터 대비 저전력으로 구동 가능한 새로운 소재 멤트랜지스터(멤리스터 특성과 트랜지스터 특성을 함께 가지는 능동소자)를 개발했다고 28일 밝혔다.

트랜지스터는 메모리와 로직 소자 근간이 되는 능동소자로, 전압과 전류 관계를 기억하는 특성을 가진 멤리스터는 새로운 형태 수동 메모리 소자로 주목받아왔다.

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

최근 기술이 발전하면서 전기 소자 크기를 줄이기 위해 트랜지스터와 멤리스터 기능을 하나로 통합하려는 시도가 이뤄지면서 멤트랜지스터가 부각되고 있다.

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

연구팀은 기존 높은 전력 소모와 제한된 소재 활용 한계를 극복하는 신소재를 발굴하는 데 초점을 두고 연구를 수행했다. 그 결과 저전력으로 반데르발스 갭 내부 이온 이동이 가능하면서도 반도체 특성을 발현하는 새로운 이차원 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 소재를 개발하고 작동 원리를 규명했다.

새로운 소재를 찾기 위해 다량의 데이터를 빠르게 처리하는 고속 계산법을 활용, 주기율표에서 이온 이동이 가능한 층상형 구조를 가진 물질 후보군을 찾았으며, 그중에서 반도체로 사용될 수 있는 Ⅲ-Ⅴ족 기반 40개 후보 물질을 도출했다.

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

이번 연구는 기존 전이금속 기반 멤트랜지스터 비균일성과 저효율 문제를 극복하는 새로운 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체 소재를 개발한 데 의의가 있다. 아울러 이를 멤트랜지스터로 활용함으로써 메모리 및 반도체 산업 분야 소재 제한성을 해결할 가능성을 제시했다.

심우영 교수는 “멤트랜지스터 소재 개발 새 패러다임을 제시하고 이를 실험적 구현한 것에 큰 의미가 있다”며 “기존 실리콘 기술과 호환되면서 저전력이 가능한 멤트랜지스터에 대한 수요를 새로운 Ⅲ-Ⅴ족 멤트랜지스터로 충족 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 '네이처 머터리얼스(Nature Materials)'에 현지 시간 28일 게재됐다.

이인희 기자 leeih@etnews.com