[헬로티]

실리콘 반도체를 대체할 미래 반도체로 활발히 연구되고 있는 2차원 원자막 소재(2D Nanosheet) 가운데, 그래핀의 뒤를 이어 흑린(Black Phosphorus)이라고 하는 2차원 소재에 대한 관심이 집중되고 있다. 그중에서 최근 가장 큰 관심을 받고 있는 2차원 흑린 원자막은 상온에서 높은 전하이동도와 대면적 공정의 가능성을 토대로 활발히 연구되고 있는 반도체 신소재이다. 지금까지 기초 물성 및 기초 소자에 대해 다양한 연구가 진행되어 왔지만, 2차원 흑린 원자막 기반의 실전 전자소자에 관한 연구가 미흡한 상황이었다. 흑린뿐 아니라 2차원 원자막 소재의 실리콘 대체 가능성을 타진하려면 보다 실질적인 상용화 가능성을 가진 응용소자에 관한 연구가 이루어져야 한다.

여기서 말하는 2차원 원자막 소재란, 반데르발스 힘으로 결합된 원자의 판상구조(원자막) 소재로, 연필심에서 스카치테이프를 이용해 그래핀 원자막을 얻어내는 시도에서 발견된 차세대 전자재료이다. 단결정의 2차원 나노구조에 따르는 2차원 양자 구속 효과와 함께 높은 전하이동도와 밴드갭 튜닝이 가능한 꿈의 소재이다. 현재 전 세계적으로 2차원 판상 구조를 가진 다양한 소재에 대한 기초 특성 연구와 대면적화 기술 연구가 활발히 진행 중이며 향후 실리콘을 대체하는 차세대 반도체 소재로 각광받고 있다.

2차원 판상 구조 소재 … 차세대 반도체 소재로 각광

이번에 국내 연구진이 발표한 흑린 기반의 전하주입형 메모리(Charge Injection Memory) 소자에 대한 연구 결과는 전하주입층(Charge Injection Layer)과 전하구속층(Charge Trapping Layer) 모두 흑린 원자막을 사용하는 전하주입형 메모리 소자에 대한 연구이며, 소자 구조의 대칭성을 토대로 흑린 원자막의 에너지 구조 정보(에너지 밴드)를 규명함으로써 2차원 차세대 반도체 소재 연구 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

전하주입형 메모리는 전기에너지를 조절해 반도체 채널에 축적된 전하들이 얇은 두께의 에너지 장벽(Potential Barrier)을 넘어 전하구속층으로 충전됨으로써 반도체 채널의 전기전도도 변화를 일정 기억 패턴으로 저장하는 방식의 메모리 소자를 말한다. 전하주입형 메모리소자는 반도체 채널(전하주입층), 전하 터널링층, 전하구속층, 전하차단층, 게이트 전극과 같은 구조로 구성된다. 전하가 충전되는 전하구속층을 플로팅(Floating) 게이트, 이러한 메모리 소자를 플로팅 메모리라고 부르기도 한다. 여기서 터널링이란, 양자역학의 관점에서 에너지를 가지고 이동하는 물체가 자신의 에너지보다 높은 에너지 장벽을 뚫고 통과할 수 있는 확률적 현상을 의미한다. 고전 역학 관점에서는 에너지 장벽보다 적은 에너지를 가진 물체가 장벽을 뛰어넘을 수 없다고 판단되지만, 에너지 장벽의 두께가 아주 얇거나 이동하고 있는 물체의 에너지가 상당하다면 터널링에 의한 통과 현상이 일어날 수 있다는 이론이다. 또한 에너지 장벽은 양자역학 관점에서 운동하고 있는 물체가 이동하기 위해 현 상태의 구속된 에너지를 뛰어 넘어야 구속 상태를 벗어날 수 있다는 이론에서 필요한 물체의 역학적 에너지를 의미한다. 하지만, 에너지 장벽의 두께 및 크기와 관련해 충분한 에너지를 가진 물체가 장벽을 확률적으로 통과하는 터널링 현상을 나타내기도 한다.

전하의 터널링 및 차단층으로는 원자막증착 시스템(ALD, Atomic Layer Deposition System)을 이용한 Al2O3 유전층을 사용했다. 이렇게 제작된 메모리 소자는 아날로그 신호인 전류구동 방식이 아닌 전압구동 방식의 디지털 신호를 저장할 수 있으며, 하나의 소자에 다양한 기억 패턴을 저장할 수 있는 멀티비트 메모리로 사용하는 가능성을 타진할 수 있다. 또한, 실제 메모리 구동 소자의 전기적 특성을 기반으로 아직까지 실전 소자에서 보고된 바 없는 2차원 흑린 원자막의 에너지 밴드 구조를 도출해냄으로써 연구의 학문적, 상업적 가치를 동시에 창출해 냈다는 평이다.

▲ 2차원 흑린 원자막 소재 기반의 전하주입형 메모리 소자

2차원 흑린 소재 에너지 밴드 구조 도출

한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소 광전소재연구단의 이영택 박사, 황도경 박사, 미래융합기술연구본부장실의 최원국 박사와 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은 전하주입층과 및 전하구속층 모두 흑린 원자막으로 구성된 전하주입형 비휘발성 메모리 소자에 대해 연구했다. 연구진은 2차원 흑린 소재의 에너지 구조 정보를 실험적으로 도출하는 데 성공했고, 논리회로에 대한 연구를 수행함으로써 메모리 특성을 디지털 신호로 직접 읽을 수 있는 메모리 셀을 개발했다.

일반적으로 전하주입형 메모리 소자는 우리가 일상생활에서 사용하는 USB 메모리(플래시 메모리) 소자의 기본 개념으로, 한 종류의 전하를(전자 또는 홀) 전하주입층에서 전하구속층으로 일정량 충·방전시켜 메모리 소자를 구동하는 방식이다. 이때 전하는 수 나노미터 두께의 절연층을 터널링(통과)하여 전하구속층에 충전되어야 하는데, 이는 특정 에너지 장벽을 넘어서는 외부 전압이 인가되어야만 가능하다. 이러한 원리로 특정 전압 이상의 입력신호를 이용해 전하를 충전시켜 메모리 기능을 프로그래밍할 수 있으며, 역방향 입력신호를 인가하면 입력된 메모리 정보를 지울 수 있다. 

이번에 연구진이 사용한 2차원 흑린 원자막 소재는 n형(전자) 및 p형(홀) 반도체 특성이 동시에 나타나는 양극성 반도체 소재로 넓은 범위의 밴드갭을 갖고 있다. 연구진은 2차원 흑린 소재 기반의 전하주입형 메모리 소자를 개발하기 위해 전하주입층과 및 전하구속층 모두 흑린 소재로 전자 및 홀의 전하주입이 가능한 ‘양극성 메모리 소자’라는 새로운 개념의 메모리 소자를 개발하는 데 성공했다. 이러한 전자와 홀의 이동 현상을 이용하는 메모리 특성을 이용해 아직까지 실험적으로 밝혀지지 않은 2차원 흑린 소재 에너지 밴드 구조를 실험적으로 도출하는 데 성공했다.

이영택, 황도경, 최원국 박사는 “2차원 흑린 원자막 기반의 전하주입형 메모리 소자는 현재 많이 사용되고 있는 저장 매체인 USB(실리콘 기반)와 같은 개념의 소자 방식을 그대로 재현했다. 이로서 구동 원리가 명확하고 신뢰성 높은 전하주입형 2차원 흑린 메모리 특성을 기반으로 생각해 봤을 때, 하나의 메모리 셀에 다양한 기억 패턴(쓰기 1, 쓰기 2, …)을 저장할 수 있는 멀티 비트 개념의 초거대 대용량 메모리 소자 구현 가능성을 모색할 수 있다. 이 연구는 미래의 메모리 반도체 응용소자로의 실전 및 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시키는 중요한 결과”라고 말했다.

이번 연구는 KIST의 기관 고유 사업 및 미래창조과학부 중견 연구자 도약 사업의 지원으로 수행됐다. 

정리 : 김희성 기자 (npnted@hellot.net)