▲ (左부터) 최원국 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부 본부장,황도경 한국과학기술연구원 선임연구원, 이영택 한국과학기술연구원 차세대반도체연구소박사.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 황도경/최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은(이하 연구팀) 흑린과 강유전성 고분자 물질을 이용해 메모리 소재 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

연구팀은 흑린 원자막과 강유전성 고분자 물질[P(VDF-TrFE)]을 반도체 채널 및 유전층으로 사용해 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하고 이러한 메모리 특성을 전압 신호 (Digital signal)로 직접 읽을 수 있는 메모리 소자 개발에 성공했다.

2차원 흑린 원자막 소재는 가장 최근에 발견된 새로운 반도체 소재로써 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질이다.

하지만 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응해 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용함으로써 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었다.

아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못하는 문제를 가진다.

연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작하였으며, 보다 발전된 형태인 n형 반도체 (MoS2, 이황화 몰리브덴)와 p형 반도체 (흑린)로 구성된 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작함으로써 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공했다.

이황화물리브덴/흑린 강유전성 CMOS 인버터 메모리소자는 전압 구동의 완전한 메모리 소자로써 우수한 메모리 특성을 보여주며 약 98%의 메모리 저장 효율을 가지는 신 개념의 메모리 소자이다.

가전제품들의 수요 증대에 따른 값싸고 양질의 반도체 소재가 요구됨에 따라 실리콘을 대체할 차세대 반도체 소재로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있다.

현재까지 발견된 2차원 반도체 원자막 소재중 가장 큰 관심을 받는 것은 인의 동소체중 하나인 흑린이다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이며, 단일 원소로 구성되어 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재이다.

최원국 박사는　“흑린 (BP)이 가지는 높은 전하이동도와 대면적화 공정의 가능성을 고려해 볼 때, 현재 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 소재를 대체 할 수 있는 꿈의 소재로 판단된다”고 밝혔다.

본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업, 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부 중견연구자 도약 사업의 지원으로 수행되었으며, 10월27일(Off-Line 출판)자 ACS Nano에 온라인 게재되었다.

▲ 이황화몰리브덴(n형) 및 흑린(p형)으로 구성된 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자. (a) 광학 현미경 이미지 (b) 사용된 원자막의 두께 분석 (c) 완성된 강유전성 CMOS 메모리 소자의 모식도 (d) 각 n형 및 p형 메모리 소자의 전류 구동 특성 (e) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 특성 (f) 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자의 전압 구동 메모리 유지 특성.