▲ 3진법에 기반하여 동작하는 초절전형 2차원 반도체 소자/회로

[헬로티]

성균관대학교 박진홍 교수 연구팀이 3개의 논리 상태인 ‘0’, ‘1’, ‘2’를 사용해 대용량 정보처리가 필요한 프로그램의 원활한 수행을 지원할 수 있는 차세대 초절전 반도체 소자/회로 기술을 개발했다.

3진법과 부성미분저항 특성에 기반한 이 기술은 미래 초절전 반도체 소자/회로 개발 시 필수적인 원천기술이다. 3진법을 이해하는 컴퓨터는 2진법 컴퓨터의 60%에 해당하는 소자만으로도 동일한 기능을 수행할 수 있어 반도체칩의 소형화, 저전력화, 고속화가 가능하다.

2차원 반도체*는 불완전 결합과 같은 표면 결함을 거의 갖고 있지 않기 때문에 별도의 복잡한 공정을 사용하지 않고 2차원 반도체인 흑린(black phosphorus)과 이황화레늄(ReS2)을 간단히 수직으로 쌓아 부성미분저항 특성을 보이는 전자소자를 새롭게 제작했다.

부성미분저항 특성소자에서는 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류가 감소하기 때문에 전압-전류 특성곡선이 ‘N’ 모양처럼 나타나게 되어 마치 여러 개의 문턱전압*을 갖는 다이오드 특성을 보인다.

따라서 논리회로를 구현할 때 부성미분저항 특성소자를 이용하면 여러 개의 논리 상태를 표현할 수 있다. 이를 활용해 연구팀은 2차원 물질 기반 부성미분저항 특성 소자와 p형 트랜지스터 2개의 소자로 3개의 논리상태(‘0’, ‘1’, ‘2’)를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하는데 성공했다.

또한 연구팀은 터널링, 확산 메커니즘 등 다양한 물리적 메커니즘들을 고려해 부성미분저항 특성소자*의 전류 분석 모델을 개발하고 이를 활용해 부성미분저항 특성소자의 전기적 특성을 자세하게 분석했다. 특히 열에너지가 소자 동작에 미치는 영향을 최소화하기 위해 상온(27도)뿐만 아니라 저온(영하 90도)에서도 측정/분석을 수행했다. 

제작된 2차원 반도체 기반의 부성미분저항 특성소자는 상온(27도)에서 약 4.2 이상의 높은 피크-밸리 전류비를 보였으며, 개발된 전류 분석 모델을 활용해 저온(영하 90도)에서 약 6.9 이상의 매우 높은 피크-밸리 전류비를 보이는 원인을 밝혀냈다. 이는 다양한 물리적 메커니즘(전자의 터널링, 확산)들이 온도에 따라 부성미분저항 특성소자의 동작에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀낸 결과이며, 부성미분저항 특성소자 기반 응용연구의 기틀을 마련한 것이라고 볼 수 있다.

박진홍 교수는 “이번 연구성과는 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상 시킬 수 있는 새로운 패러다임의 3진법 소자/회로를 개발한 것이다. 가령 십진수 128을 표현하기 위해 기존에는 8비트 필요했지만 이제는 5비트만 있으면 된다. 그만큼 반도체 소자/회로가 빨라지고 소형화될 수 있는 가능성을 열었다. 향후 알파고와 같은 빅데이터 정보처리가 필요한 프로그램을 지원하는 초절전형 소자/회로의 초석이 될 것으로 기대된다“고 설명했다.

김진희 기자 (eled@hellot.net)