수직-반응형 ECRAM 시냅스 반도체 소자(좌)와 3차원 다중 수직-반응형 ECRAM 시냅스 반도체의 모식도(중앙), 투과전자현미경 (TEM) 단면 사진.(사진=재료연 제공)

한국재료연구원(KIMS, 재료연)은 에너지·환경재료연구본부 김용훈 박사 연구팀이 포항공과대학교 황현상 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 3차원 초고집적 뉴로모픽 시냅스 소자를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

본 기술은 저온(<200℃)에서 합성한 반데르발스 2차원 나노소재(텅스텐 나이셀레나이드, WS2)를 드레인 전극과 이온 배리어 층(Barrier-layer)에 동시 적용함으로써 수직-반응형 ECRAM(Electrochemical random-access memory) 소자를 3차원으로 초고집적화시킨 기술이다.

시냅스 소자 구현을 위해서는 이온의 이동을 정밀하게 제어하는 기술이 필요한데 만약 이의 제어가 어려우면 원하는 저항값을 얻기 힘들다. 본 연구팀은 채널과 이온 전해질 층 사이에 2차원 나노소재로 만든 배리어 층(Barrier-layer)을 통해 이온 이동을 제어했다. 그 결과 선형성 및 대칭성, 내구성과 같은 고성능의 시냅스 특성을 구현할 수 있었다. 또한 95.22% 수준의 높은 손글씨(MNIST, Modified National Institute of Standards and Technology) 패턴 인식 정확도를 달성한 것을 확인했다.

기존에는 ECRAM 소자에서 전해질 층의 이온 이동 제어를 위한 배리어 층(Barrier-layer)을 제작할 때 그래핀과 같은 이차원 소재를 활용했다. 이는 전사 과정이 요구돼 고집적도 및 높은 수율의 시냅스 반도체 소자를 구현하기 어려웠다. 이를 개선하고자 본 연구팀은 200℃ 이하의 저온에서 직접 이차원 소재를 성장하는 합성법을 접목해 전사 과정 없이 이온 배리어 층(Barrier-layer) 제작에 성공했다. 또한 다중 적층 3차원 수직-반응형 ECRAM의 독립적인 가중치 업데이트 특성을 확인해 초고집적도 3차원 기반의 시냅스 어레이 제작에 대한 잠재력 또한 입증했다.

연구팀은 3차원 초고집적 뉴로모픽 시냅스 소자 개발을 통해 인공지능 반도체 구현에 필요한 대규모 연산을 초고속, 초저전력으로 실행하는 핵심 소재 및 공정기술 개발에 성공했다. 연구책임자 재료연 김용훈 책임연구원은 “반데르발스 2차원 반도체 소재에 대한 연구가 10년 이상 이어졌지만 상용화에는 접근하지 못하고 있는 상황”이라며 “이번 연구 결과를 바탕으로 2차원 반도체 소재의 대면적 합성과 전자소자 상용화 및 반도체 공정에 적용하기 위한 연구를 지속해 나가겠다”고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부 지원으로 재료연 기본사업과 한국연구재단 리더연구를 통해 수행됐다. 또한 이번 연구 결과는 와일리(Wiley)에서 발행하는 세계적인 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 19.0/ 제1저자 이규민 박사과정, 황승권 학생 연구원)’에 게재됐다.