이차원 전자층을 활용한 나노 전자 소자 연구

Abstract

세계반도체시장통계기구(WSTS) 자료에 의하면 2017년 세계 반도체 시장 규모는 4000억 달러 이상으로 2016년 대비 21.6% 성장하였고 향후에도 세계 반도체 시장 호황기가 지속될 것으로 전망하고 있다. 특히 반도체 시장 부문에서 메모리 시장이 차지하는 비율이 가장 높으며 한국 기업이 반도체 메모리 시장 점유율에서 전 세계 1위를 기록하였다. 이처럼 반도체 및 첨단 나노 전자 소자 연구의 필요성이 대두되고 있는 시점에, 본 연구를 통해 기존 나노 전자 소자들의 문제점과 한계를 극복하고 새로운 방법을 도입하여 소자의 성능을 극대화하고자 하였다. 연구를 진행한 소자들로는 차세대 비휘발성 메모리인 Conductive Bridge Random Access Memory(CBRAM), 고성능 수소 가스 센서가 있으며 이들 모두 산화물 접합 이차원 전자층을 활용하였다. 이차원 전자층은 수 nm 두께 안에 고농도의 전자들이 갇혀있는 구조로 트랜지스터의 기본 동작 원리가 된다. 대부분의 경우 반도체 물질로 이를 구현하지만 2004년 최초로 산화물을 접합한 LaAlO3(LAO)/SrTiO3(STO) heterostructure 이차원 전자층이 보고된 바 있다[1]. 이는 반도체 접합 이차원 전자층에 비해 100배에 달하는 전자가 존재하지만 700 ℃ 이상에서 LAO 증착 공정이 이루어지며 에피 성장(epitaxial growth)을 해야 한다는 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 원자층 증착법(ALD : Atomic Layer Deposition)을 이용하여 저온에서 비정질 산화물을 증착함으로서 이차원 전자층을 구현하고자 하였으며 이를 활용한 어플리케이션은 다음과 같다. 첫 번째로 이차원 전자층을 활용하여 차세대 비휘발성 메모리인 CBRAM을 제작하였다. 비휘발성 메모리는 읽기와 쓰기가 가능해야 하며 전원이 꺼져도 데이터의 손실이 없어야 한다. CBRAM은 기억력(retention time)이 우수하고 구조가 간단하여 crossbar array로 응용이 가능하지만 산포가 나쁘고 내구성이 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 따라서 하부 전극을 금속에서 이차원 전자층으로 대체하여 기존의 산포 문제를 해결하였고 multi-level 구현에 성공하여 차세대 인공지능 뉴로모픽 소자로의 응용 가능성을 보았다. 두 번째로 이차원 전자층을 활용한 어플리케이션은 고성능 수소 가스 센서이다. 수소는 미래 친환경 에너지원으로 각광받고 있지만 4-75% 농도에서 폭발을 일으켜 수소 가스 센서는 필수이다. 하지만 상온에서 빠르고 정확하게 넓은 범위의 수소 가스 농도를 감지할 수 있는 수소 센서의 부재로 기술의 진보를 요한다. 본 연구에서는 대표적인 수소 감지 물질인 Pd을 이차원 전자층 위에 증착하여 수소 가스 센서를 제작하였고 기존의 한계를 극복하고자 하였다. 연구 결과 상온에서 빠르고(<30 s) 정확하게 넓은 범위의 수소 가스 농도(5ppm-1%)를 감지할 수 있는 센서 개발에 성공하였다.