은 소재 반도체 스위치 소자, 누설전류 잡았다

[산업일보]
차세대 반도체 메모리가 해결해야 할 과제인 누설전류. 사용하지 않아도 자체 소모되는 전류를 줄일 수는 없을까?

한국연구재단은 “은(Ag)을 소재로 나노미터 크기의 반도체 스위치 소자 개발에 성공해 전력소모를 획기적으로 줄일 수 있는 가능성이 제시됐다”고 밝혔다.

이장식 교수(포항공대) 연구팀은 전기화학증착법을 이용해 산화아연(ZnO) 물질에 적정량의 은(Ag)을 첨가함으로써 전류의 흐름을 끊거나 흐르게 할 수 있는 저항값이 10억 배가 높아진 반도체 스위치 소자를 개발했다.

전기화학증착법은 전극간의 전위차를 유도해 금속 또는 산화물을 박막형태로 전도성 기판에 형성하는 용액공정의 일종이다.

현재 메모리 소자는 많은 양의 정보를 저장할 수 있는 집적도를 높이는데 한계가 있다. 차세대 저항변화메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지된다. 하지만 전력 소모가 많고, 저장된 정보를 읽을 때 오류가 나타나기도 한다.

‘은’은 다른 소재에 비해 결정구조를 가진 물질 내에서 쉽고 빠르게 이동한다. 개발된 스위치 소자는 반도체 소자의 안정성이 유지되도록 하는 ‘은’의 적정한 농도를 찾음으로써 이루어졌다. 이를 통해 전류가 거의 흐르지 않는 부도체 영역에서 전류가 아주 잘 흐르는 도체 영역까지 약 10억배의 저항 차이를 보이는 소자를 개발할 수 있었다.

이는 기존 약 만배 정도의 차이를 보인 결과보다 크게 향상된 것이다. 저항값의 차이가 커질수록 반도체 소자의 전원을 켜고, 끌 수 있는 효율이 높아진다. 그만큼 전류의 흐름을 효과적으로 제어할 수 있어 전력소모를 크게 줄일 수 있게 된다.

이장식 교수는 “이 연구는 은을 사용해 전류의 흐름을 제어하고, 효과적으로 누설전류를 줄일 수 있는 새로운 반도체 스위치 소자를 처음으로 개발한 것이다. 대면적으로 균일하게 만들 수 있고, 안정된 특성이 뒷받침된다면 휴대폰 등에 사용될 차세대 메모리, 많은 전류 공급이 필요한 전력반도체, 시냅스 소자 연구 등에 필요한 뉴로모픽 소자 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 교수는 “기존의 스위치 소자들과는 달리 산화물 물질 내에 적정량의 금속을 첨가함으로써 낮은 동작전압에서도 빠르게 온/오프 되는 특성을 확인할 수 있으며, 10억 배의 저항차이가 나타나는 우수한 스위칭 특성을 보여준다”고 설명한 뒤, “이 연구결과를 이용해 3차원 구조로 제작된 테라비트급 저전력/고집적 메모리 소자 구현에 대한 추가적인 연구를 수행하고자 한다. 뿐만 아니라, 10억 배의 저항차이를 보이는 새로운 스위치 소자를 다양한 산업 분야에 응용해 전자 소자 산업 발전에 기여할 수 있기를 바란다”고 언급했다.