|
2차원 반도체는 원자 수준의 얇은 두께와 우수한 광학적 특성으로 차세대 전자소자 소재로 주목받아 왔다. 그러나 반도체의 두께를 원자층 단위로 정밀하게 조절하면서 대면적에서 균일한 특성을 유지하는 데에는 기술적 어려움이 있었다. 특히 빛을 감지하는 기능과 이전 자극을 기억하는 기능을 하나의 소자에서 구현하기 위해서는 정밀 제어 기술이 필요하다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 플라즈마 기반 반도체 합성 공정과 세 가지 혼합가스(Ar, O₂, CF₄)를 이용한 반응성 이온 식각 공정을 결합했다. 이어 원자층 두께를 제어한 이황화텅스텐(WS₂)을 이용해 빛의 자극을 기억하는 광멤리스터(opto-memristor) 소자를 제작했다. 광멤리스터는 빛을 감지하는 동시에 이전에 받은 빛 자극의 영향을 전기적 상태로 기억할 수 있는 소자다.
연구팀이 개발한 소자는 반복적으로 빛을 조사할 때 이전 빛 자극의 지속 시간과 간격에 따라 광전류가 달라지는 특성을 나타냈다. 또한 WS₂의 층수에 따라 단기 기억과 장기 기억에 해당하는 시간적 응답이 다르게 나타나는 것을 확인했다. 원자층 두께 제어를 통해 인공지능 연산에 필요한 기억 특성을 조절할 수 있는 가능성을 제시한 것이다.
이번 연구는 한국기계연구원·산업통상자원부·과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행했으며 한국기계연구원 김성호·김무영 연구원, 한양대 조준형·최연호 석박사통합과정생, 성균관대 김건형 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Advanced Functional Materials)에 게재됐다.
유호천 교수는 “이번 연구는 원자층 단위의 정밀한 두께 제어 기술을 6인치 웨이퍼 규모로 확장하고, 이를 실제 광메모리 소자의 동작 특성과 연결했다는 데 의미가 있다”며 “빛의 입력 순서와 시간에 따라 달라지는 소자 응답을 인공지능 연산에 활용할 수 있음을 확인, 차세대 뉴로모픽 반도체 개발을 위한 새로운 가능성을 제시했다”고 말했다.
