국내 연구진이 차세대 메모리 소자로 각광받고 있는 저항변화메모리의 전력 소모를 획기적으로 줄이면서 우수한 온·오프(ON·OFF) 성능을 지닌 반도체 스위치 소자를 개발했다. 휴대전화 등에 사용되는 차세대 메모리나 많은 전류 공급이 필요한 전력반도체, 인간의 뇌 동작을 모방한 뉴로모픽 소자 등 다양한 전자소자에 적용할 수 있을 전망이다.
이장식 포항공대 교수 연구팀은 전기화학증착법을 이용해 산화아연 물질에 적정량의 은(Ag)을 첨가해 10억배의 저항 차이가 나는 나노미터 크기의 '반도체 스위치 소자'를 개발했다고 16일 밝혔다.
스위치 소자는 전압을 주면 낮은 저항 상태가 되고, 전압을 주지 않으면 다시 높은 저항 상태로 변하는 현상을 이용해 전자소자 및 전자기기를 켜고(ON) 끌 수(OFF) 있는 반도체 소자다.
저항변화메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지돼 플래시 메모리를 대체할 차세대 소자로 주목받다. 하지만, 전력소모가 많고 저장된 정보를 읽을 때 식별오류가 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 다이오드나 트랜지스터 역할을 하는 스위치 소자 개발이 필요하다.
연구팀은 저항값이 매우 커 전류가 흐르지 않는 산화아연 박막에 결정구조를 가진 물질 내에서 쉽고 빠르게 이동하는 성질이 있는 은을 적정한 농도로 첨가해 낮은 동작 전압에서도 큰 저항 차이를 가진 스위치 소자를 제작했다. 이 스위치 소자는 산화아연·백금 구조에 상하부 전극에는 백금을, 은이 첨가된 산화아연층은 스위칭 물질로 각각 사용했다.
특히 전류가 거의 흐르지 않는 부도체 영역부터 전류가 아주 잘 흐르는 도체 영역까지 10억배의 저항 차이를 나타내는 데, 이는 1만배에 달하는 기존 스위치 소자의 저항 차이보다 5배 향상된 결과다.
연구팀은 저항값의 차이가 커질수록 반도체 소자의 전원을 켜고, 끌 수 있는 효율이 높아지고, 전류의 흐름을 효율적으로 제어할 수 있기 때문에 저항변화메모리 소자 간 누설전류를 차단하고 전력소모를 크게 줄일 수 있다고 설명했다.
또한 250도의 높은 온도에서도 소자가 안정적으로 작동할 정도로 열적 안정성이 우수한 것으로 나타났다.
연구팀은 스위치 소자를 3차원 구조로 집적한 소자로 시뮬레이션한 결과, 낮은 전력소모를 보이면서 집적도를 높인 소자로 활용할 수 있다는 사실을 확인했다.
이장식 교수는 "은을 사용해 전류의 흐름을 제어하고, 누설전류를 효과적으로 줄일 수 있는 새로운 반도체 스위치 소자를 개발했다는 데 의미가 있다"면서 "전력소모가 거의 없고 오류가 발생하지 않는 우수한 메모리 특성을 지닌 저전력·고집적 차세대 메모리 소자 제작에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
이 연구결과는 네이처 자매지 '엔피지 아시아 머터리얼즈(2월 24일자'에 실렸으며, 미래부와 연구재단의 기초연구사업, 원천기술개발사업의 지원을 받아 연구가 수행됐다. 대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr
