KAIST가 메모리 소자가 전기를 켜고 끄는 근본 원리를 밝혀 더 빠르고 전력 소모가 적은 차세대 반도체를 설계할 핵심 기준을 마련했다.
KAIST 생명화학공학과 서준기 교수팀은 경북대 이태훈 교수팀과 공동연구로 차세대 메모리 반도체의 핵심 소재 ‘비정질 텔루륨’의 전기 스위칭 원리를 세계 최초로 규명했다.
연구팀은 극저온 환경에서 물질을 순간적으로 녹였다가 빠르게 굳히는 독창적인 분석 기법으로 나노소자 내부의 작동 과정을 실시간 포착하는 데 성공했다.
인공지능(AI) 기술이 급격히 발전하면서 방대한 데이터를 빠르게 처리하고 전력 소모는 최소화하는 초고속·저전력 차세대 메모리 반도체 기술이 필수다.
고성능 반도체를 설계하려면 소재가 전기를 켜고 끄는 스위칭 현상이 어떤 원리로 일어나는지 근본적인 이해가 필요하다.
연구팀은 금속과 비금속의 중간 성질을 가진 준금속 원소인 텔루륨(Te)이 전류 흐름에 따라 상태가 변하는 특성에 주목했다.
텔루륨은 차세대 메모리 소자의 핵심 재료지만, 미세한 온도 변화에도 물질의 성질이 쉽게 변해버려 원자 배열이 불규칙한 상태인 비정질 구조를 안정적으로 유지하며 연구하기가 매우 까다로웠다.
연구팀은 이 난제를 해결하기 위해 소자 주변 환경을 영하의 극저온 상태로 낮춘 뒤 실험을 진행했다.
전기가 흐를 때 발생하는 순간적인 열을 이용해 텔루륨을 순간적으 액체 상태로 녹인 후 곧바로 급속 냉각시켜 원자들이 미처 규칙적인 자리를 잡지 못한 비정질 상태를 구현했다.
반대로 물질을 천천히 식히면 바둑판처럼 원자가 규칙적으로 배열된 결정질 상태가 돼 하나의 소자 안에서 온도 조절만으로 물질의 상태를 자유자재로 바꾸며 비교 분석할 수 있는 환경을 구축했다.
이 실험을 통해 연구팀은 비정질 텔루륨의 전기 스위칭이 기존 학설과 달리 두 단계로 진행된다는 사실을 밝혀냈다.
과거에는 열에 의해 물질이 녹으면서 전류가 갑자기 커진다고 보았으나, 연구팀은 재료 내부에 존재하는 미세한 결함을 따라 전류가 먼저 급격히 솟구치고, 이로 인해 발생한 열이 축적되어 물질을 녹이는 순서로 작동함을 입증했다.
이는 스위칭이 시작되는 정확한 지점과 에너지 손실 구간을 파악해 낸 것으로, 소자 설계의 정밀도를 높이는 결정적 단서가 됐다.
아울러 연구팀은 별도의 복잡한 회로 없이도 전압이 스스로 커졌다 작아지는 ‘자가 진동’ 현상을 구현했다.
이는 여러 재료를 섞지 않고 텔루륨이라는 단일 원소만으로도 안정적인 전기 스위칭과 신호 제어가 가능하다는 것을 증명한 것으로, 향후 반도체 공정 단순화와 효율화에 크게 기여할 전망이다.
이번 연구성과는 복잡한 전처리 과정 없이도 소재의 근본적인 작동 원리를 규명, 인간의 뇌 구조를 본뜬 뉴로모픽 칩 등 차세대 반도체 설계의 새로운 기준을 제시한 것으로 평가받는다.
서 교수는 “비정질 텔루륨을 실제 소자 환경에서 구현하고 그동안 직접 관찰하기 어려웠던 스위칭 원리를 밝힌 첫 사례”라며 “이번 연구가 차세대 메모리 소재 개발의 중요한 지침이 될 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 허남욱 석박사통합과정이 제1저자로, 김승환 박사과정이 제2저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 13일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
(논문명 : On-device cryogenic quenching enables robust amorphous tellurium for threshold switching)
