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[사진1. (왼쪽부터) 첨단융합공학부 여종석 교수, 김영민 연구원, 박시원 연구원]

 

첨단융합공학부 여종석 교수 연구팀이 차세대 고집적 메모리 및 뉴로모픽 반도체의 핵심 소자인 오보닉 문턱 스위치(Ovonic Threshold Switch, OTS)의 동작 메커니즘을 나노스케일에서 분석하는 기술을 개발하고, 별도의 연구를 통해 저전력·고효율 선택소자와 인공 뉴런 응용 가능성을 제시했다.

 

연구팀의 김영민 석박사통합과정 대학원생은 원자힘현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)을 활용해 OTS 소자의 스위칭 영역을 특정 위치에 국소화하고, 초기 동작 과정에서 발생하는 구조적 변화를 직접 관찰하는 데 성공했다. 한편 박시원 석박사통합과정 대학원생은 칼코겐화합물의 조성을 최적화해 낮은 누설전류와 높은 에너지 효율을 갖는 선택소자를 개발하고, 이를 인공 뉴런 소자로 활용할 가능성을 입증했다.

[사진2. Small Methods 및 ACS Applied Electronic Materials 표지]

 

두 연구 성과는 각각 국제학술지 Small Methods와 ACS Applied Electronic Materials에 게재됐으며, 모두 표지논문으로 선정됐다.

 

OTS는 비정질 칼코겐화합물 박막에 특정 문턱 전압 이상의 전압을 가하면 고저항 상태에서 저저항 상태로 빠르게 전환되는 소자다. 이러한 특성으로 3차원 크로스바 메모리에서 불필요한 누설전류를 억제하는 선택소자뿐 아니라, 생물학적 뉴런의 전기적 동작을 모사하는 뉴로모픽 소자로도 주목받고 있다.

 

그러나 비정질 박막 내부의 불균일한 원자 배열과 결함, 스위칭이 발생하는 위치의 무작위성 때문에 실제 스위칭이 어디에서 일어나고, 초기 동작 이후 소자 특성이 왜 변화하는지를 직접 규명하는 데는 한계가 있었다.

 

연구팀은 먼저 AFM의 나노미터 크기 탐침을 이용해 원하는 위치에 스위칭을 유도하는 국소 분석 기술을 개발했다. 전기장 분포 시뮬레이션을 바탕으로 약 20 nm 두께의 금속 전극을 적용해 과도한 전기장 집중을 완화하면서도 스위칭 영역을 안정적으로 국한할 수 있는 구조를 설계했다.

 

이후 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)을 이용해 최초 스위칭(First-Firing) 이후 구조 변화를 관찰한 결과, 상부 전극과 OTS 스위칭층 사이 계면에서 나노결정질 구조가 새롭게 형성되는 것을 확인했다. 이러한 계면 결정화는 실제 전류가 흐르는 비정질층의 유효 두께를 줄이고, 최초 동작 이후 문턱 전압이 낮아지는 현상과 연관된 것으로 분석됐다.

 

또한 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT) 기반 제1원리 계산을 통해 결정질-비정질 계면에서 전자 구조가 변화하면서 전하 이동에 유리한 환경이 형성될 수 있음을 확인했다.

 

이번 연구는 무작위로 발생하던 OTS의 스위칭 영역을 특정 위치로 유도해 직접 관찰하고, 실험과 이론 계산을 결합해 초기 동작 이후 전기적 특성이 변화하는 구조적 원인을 분석할 수 있는 방법론을 제시했다는 데 의미가 있다.

 

한편 연구팀은 별도의 연구를 통해 OTS 선택소자의 성능을 개선할 수 있는 새로운 칼코겐화합물 소재도 개발했다. 박시원 석박사통합과정 대학원생은 질소(N), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 텔루륨(Te)으로 구성된 4원계 칼코겐화합물(N-Si-Ge-Te, NSGT)의 조성과 결합 환경을 제어해 낮은 누설전류와 효율적인 문턱 스위칭 특성을 동시에 확보했다.

 

특히 최적화된 NSGT 소자는 낮은 오프 상태 전류밀도와 안정적인 스위칭 특성을 나타냈으며, 이를 활용한 인공 뉴런 회로에서는 생물학적 뉴런처럼 전기 신호를 누적한 뒤 일정 수준에 도달하면 신호를 발생시키는 동작을 구현했다. 이 과정에서 스파이크당 0.56 pJ/μm²의 낮은 에너지 소비를 달성해 저전력 뉴로모픽 소자로서의 가능성을 보여줬다.

 

이는 칼코겐화합물의 원소 조성과 결합 환경을 정밀하게 제어함으로써 OTS의 누설전류와 에너지 소비를 줄일 수 있음을 보여준 결과로, 향후 고집적 메모리 선택소자와 저전력 뉴로모픽 컴퓨팅 소자 설계에 활용될 것으로 기대된다.

 

이번 두 연구는 OTS의 초기 동작 과정에서 일어나는 국소 구조 변화를 직접 관찰할 수 있는 분석 기술과, 칼코겐화합물 조성 제어를 통한 고효율 소자 설계 기술을 각각 제시했다는 점에서 상호보완적인 의미를 갖는다. OTS의 물리적 동작 원리를 보다 정밀하게 이해하는 동시에 소재와 소자 차원에서 성능을 개선할 수 있는 방향을 제시함으로써 차세대 메모리 및 뉴로모픽 반도체 연구를 위한 기반을 넓혔다.

 

이번 연구는 BK21 FOUR 사업, 한국연구재단(NRF) 연구사업, 삼성전자의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 Small Methods와 ACS Applied Electronic Materials에 각각 게재됐으며, 두 논문 모두 표지논문으로 선정됐다.