성균융합원

송승욱 교수 연구팀, 정보저장 효율 5배 상승… 차세대 메모리 성능 혁신

- 강유전체 메모리 트랜지스터 전류 밀도·이동도 획기적 향상

- 인공지능·고속 연산·반도체/양자 기술 혁신 기대… ACS Nano 논문 게재

▲ 송승욱 에너지과학과 교수

고성능 연산과 AI 반도체 시장이 커지면서, 전력 효율이 좋은 비휘발성 메모리 소자에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 현존 실리콘 반도체의 물리적 한계를 극복하기 위해 매우 얇은 2차원(2D) 반도체 소재가 차세대 소재로 주목받고 있다. 그러나 2차원 반도체 소재를 기반으로 한 차세대 강유전체 비휘발성 메모리*는 소재 표면의 결함에 의하여 정보 저장 효율이 쉽게 저하된다는 문제가 있다.

* 강유전체 비휘발성 메모리 반도체: 강유전체(Ferroelectric) 물질의 자발적인 전기 분극을 이용하여 데이터 저장 및 처리 기능을 수행하는 소자.

▲ [그림1] MoS2/AlScN 강유전체 전계 효과 트랜지스터(FeFET)의 구조 및 실험 결과. MoS2/AlScN FeFET의 구조 모식도와 Ti 전극과 In 전극 사용 시의 전압-전류 특성 비교 그래프(Id-Vg) (위). 접촉 저항(Rc) 및 온 상태 전류(Ion), On/Off 비율 비교 그래프 (아래 좌측). 다중 전도 상태(Multilevel Conductance) 구현 실험 결과 (아래 우측).

에너지과학과 송승욱 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 새로운 강유전체 게이팅** 물질 및 전극 물질을 적용함으로써, 깨끗한 반도체 표면을 통해 전하 이동이 원활하게 이루어지도록 개선하였다. 기존보다 훨씬 적은 전력으로도 소자가 작동할 수 있도록 설계해 초저전력, 고성능 2차원 강유전체 메모리 트랜지스터를 개발하는 데 성공했다. 이 연구는 초저전력 컴퓨팅, 인공지능(AI), 차세대 메모리 소자 개발에 새로운 가능성을 제시하며, 기존 반도체 기술이 가진 한계를 극복하는 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

** 강유전체 게이팅 (Ferroelectric Gating): 강유전체(Ferroelectric) 물질을 절연체로 활용하므로써 채널의 전하 밀도를 비휘발적으로 조절하는 기술.

송승욱 교수는 “이번 연구를 통해 2D 반도체 기반 강유전체 트랜지스터의 성능 한계를 극복할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”며, “특히 낮은 접촉 저항과 높은 캐리어 밀도를 동시에 확보함으로써 차세대 저전력 전자 소자로서의 가능성을 크게 확장했다”고 말했다. 또한 그는 “다양한 양자 특성 제어 현상을 적용할 수 있음을 밝히기 위한 추가 연구가 필요하다”고 덧붙였다.

이번 연구는 미국 펜실베이니아 대학교(University of Pennsylvania) 딥 자리왈라(Deep Jariwala), 미국 펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University) 조안 레드윙(Joan M. Redwing), 성균관대학교 (현 연세대학교) 강주훈 교수 연구팀 등의 공동 연구로 진행되었으며, 세계적 학술지 ACS 나노(ACS Nano)에 게재되었다.

※ 논문명: High Current and Carrier Densities in 2D MoS2/AlScN Field-Effect Transistors via Ferroelectric Gating and Ohmic Contacts

※ 저널: ACS Nano (Impact factor: 15.8)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17301