실리콘을 대체하는 새로운 차세대 반도체 소재로써 전 세계적으로 2차원 원자막 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 대형 가전제품의 폭발적인 수요 증대와 더불어 보다 값싸고 양질의 반도체 소재를 찾기 때문이다. 반도체로써 현재까지 발견된 2차원 원자막 소재 중에서 가장 큰 관심을 받고 있는 소재가 바로 인의 동소체 중의 하나인 흑린이다. 흑린은 상온에서 다른 원자막 소재에 대비 10배 이상의 빠른 전하 이동도를 보이며, 단일 원소로 구성되어 대면적 공정이 가능한 꿈의 소재이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 황도경/최원국 박사 연구팀과 연세대학교 물리학과 임성일 교수 연구팀은(이하 연구팀) 흑린 원자막 (Black Phosphorus)와 강유전성 고분자 물질[P(VDF-TrFE)]을 반도체 채널 및 유전층으로 사용하여 안정적인 비휘발성 메모리 소자를 제작하는데 성공하였으며 이러한 메모리 특성을 전압 신호 (Digital signal)로 직접 읽을 수 있는 신개념의 메모리 소자 개발에 성공하였다.

2차원 흑린 원자막 소재는 가장 최근에 발견된 새로운 반도체 소재로써 0.3-2.0 eV의 밴드갭을 가지고 있어서 밴드갭이 없는 그래핀 원자막의 반도체 특성의 한계를 뛰어 넘는 차세대 반도체 물질이다. 상온에서 수천의 전하이동도를 가지지만 공기 중의 산소 및 수분과 빠르게 반응하여 흑린 원자막의 산화 및 붕괴를 일으키는 문제가 있다. 연구팀은 강유전성 고분자 물질을 유전체 및 흑린 보호층으로 동시에 사용함으로써 흑린 원자막의 산화를 막고 보다 안정적인 메모리 소자를 구현할 수 있었다.

아날로그 신호인 전류 구동 소자는 메모리 컴퓨팅 기반의 구동 소자에서 완전한 형태의 메모리 소자로 동작하지 못하는 문제를 가진다. 연구진은 2차원 원자막 메모리 소자의 완전한 메모리 소자 구현을 위해 흑린 기반의 비휘발성 메모리소자에 외부 저항을 연결하는 인버터 형태의 소자를 제작하였으며, 보다 발전된 형태인 n형 반도체 (MoS2, 이황화 몰리브덴)와 p형 반도체 (흑린)로 구성된 CMOS？ (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조의 강유전성 인버터 소자를 제작함으로써 세계 최초의 강유전성 CMOS 인버터 메모리 소자를 구현하는데 성공하였다.

？ . CMOS : n형 트랜지스터와 p형 트랜지스터로 이루어진 인버터 논리회로 가장 기본  적인 반도체 단위 응용소자이다.

이황화물리브덴/흑린 강유전성 CMOS 인버터 메모리소자는 전압 구동의 완전한 메모리 소자로써 우수한 메모리 특성을 보여주며 약 98%의 메모리 저장 효율을 가지는 신 개념의 메모리 소자이다. 

최원국 박사는　“흑린 (BP)이 가지는 높은 전하이동도와 대면적화 공정의 가능성을 고려해 볼 때, 현재 반도체 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 실리콘 소재를 대체 할 수 있는 꿈의 소재로 판단되며, 이 연구는 2차원 원자막 소재 기반의 복합 논리회로 및 반도체 응용소자로의 응용 가능성에 대한 의구심을 해소시켜 주는 중요한 결과이다” 라고 밝혔다.

본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업, 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부 중견연구자 도약 사업의 지원으로 수행되었으며, 10월 27일(화) (Off-Line 출판)자 ACS Nano에 온라인 게재되었다.

 

(논문명) “Nonvolatile Ferroelectric Memory Circuit Using Black Phosphorus Nanosheet-Based Field-Effect Transistors with P(VDF-TrFE) Polymer” (DOI: 10.1021/acsnano.5b04592)

- (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이영택 박사

- (공동 제1저자) 연세대학교 물리학과 권혁재 박사과정

- (공동교신저자) 한국과학기술연구원 황도경 박사

- (공동교신저자) 한국과학기술연구원 최원국 박사

- (공동교신저자) 연세대학교 물리학과 임성일 교수