1. 초절전 컴퓨터 만드는 3진법 반도체 소자/회로 기술 개발 - 심재우(1저자) / 박진홍 교수(교신저자)

정보통신대학 전자전기공학부 박진홍 교수(교신저자) 연구팀이 2차원 반도체인 흑린(black phosphorus)과 이황화레늄(ReS2)을 수직으로 쌓은 이종접합 구조체를 활용하여 3개의 논리상태를 이용하는 3진법 소자/회로를 만드는 기술을 개발했다. 3진법과 부성미분저항(negative differential resistance) 특성에 기반한 이 기술은 ‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 논리회로 기반 컴퓨터가 전력 소모량 측면에서 기술적 한계에 다다른 현 시점에서 3개의 논리상태 ‘0’, ‘1’, ‘2’를 사용하여 대용량 정보처리가 필요한 소프트웨어의 원활한 수행을 지원할 수 있는 차세대 초절전 반도체 소자/회로 개발 시 필수적인 원천기술이다. 

‘0’과 ‘1’을 사용하는 기존 2진법 논리회로 기반 컴퓨터는 대용량 정보처리를 위해 수많은 소자와 도선이 집적되어야 하며, 이로 인해 전력소모와 발열량이 굉장히 크다. 반면, 3진법 이상을 이해할 수 있는 다진법 논리회로 기반의 컴퓨팅 기술을 활용하면, 2진법 논리회로에 사용된 2진법 소자 대비 절반 이하의 소자 개수만으로 동일한 양의 정보처리 기능을 절반 이하의 소비전력으로 수행할 수 있어, 미래 초연결사회의 폭증하는 정보의 연산, 저장, 전달을 수행하는 초절전/초고성능 정보처리 소자의 요구에 대응할 수 있다.

다진법 반도체 소자는 대표적으로 부성미분저항(negative differential resistance) 특성을 이용하여 구현 될 수 있다. 부성미분저항 특성소자에서는 전압의 크기가 증가함에도 불구하고 전류가 감소하기 때문에 전압-전류 특성곡선이 ‘N’ 모양처럼 나타나게 되어, 마치 여러 개의 문턱전압을 갖는 다이오드 특성을 보인다. 따라서 부성미분저항 특성소자를 이용하여 여러 개의 논리 상태를 표현할 수 있는 다진법 논리회로를 구현할 수 있다.

본 연구팀은 별도의 복잡한 공정을 사용하지 않고 2차원 반도체인 흑린과 이황화레늄을 수직으로 쌓은 이종접합 구조체를 활용하여 상온에서 부성미분저항 특성을 보이는 3진법 반도체 소자를 구현하는 데 성공하였다. 또한 초절전형 전자소자로의 응용 가능성을 확인하기 위해, 흑린과 이황화레늄의 이종접합구조체 기반 부성미분저항 특성소자와 내재되어 있는 흑린 기반의 트랜지스터를 집적하여 2개의 소자로 3개의 논리상태를 갖는 3진 인버터 회로를 구현하였다. 참고로 기존 인버터 회로는 2개의 소자로 2개의 논리상태를 표현한다.

이 연구성과는 소비전력과 성능을 한 단계 더 향상시킬 수 있는 새로운 패러다임의 3진법 소자/회로를 개발한 것이다. 가령 십진수 128을 표현하기 위해 2진법으로는 8비트가 필요하지만 3진법으로는 5트리트만 있으면 되며, 필요한 소자의 수도 그만큼 줄어든다. 그만큼 반도체 소자와 회로가 빨라지고 소형화 될 수 있는 가능성을 열었다. 향후 알파고와 같은 빅데이터 정보처리가 필요한 프로그램을 지원하는 초절전형 소자/회로의 초석이 될 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 과학, 기술분야 국제 학술지 ‘Nature Communications’ 11월 7일자에 게재되었다.

논문 제목: Phosphorene/rhenium disulfide heterojunction-based negative differential resistance device for multi-valued logic 

2. 페로브스카이트 및 2차원 나노반도체 물질 간 이종접합 기반 초고성능 하이브리드 광검출기 개발 - 강동호(1저자) / 박진홍 교수(교신저자)

정보통신대학 전자전기공학부 박진홍 교수(교신저자) 연구팀이 차세대 반도체 및 광전소재로 관심을 모으고 있는 2차원 나노반도체와 페로브스카이트를 접합하여 세계 최고 수준의 광응답성(1.94×106 A/W) 및 광검출능(1.94×1012 Jones)을 갖는 초고성능 광검출기를 구현하는 데 성공했다. 연구팀이 얻은 광응답성 및 광검출능 수치는 기존 광검출기에 비해 백만 배 이상 높은 수치이며, 이는 기존보다 백만 배 이상 약한 세기의 빛도 안정적으로 검출할 수 있다는 것을 의미한다.

2차원 나노반도체는 매우 높은 양자효율을 지녀 차세대 광전소자(광검출기 및 태양전지)를 구현할 수 있는 물질로써 주목을 받고 있으나, 나노미터 두께의 매우 얇은 2차원 나노반도체 물질 특성 상 빛의 흡수율이 기존 반도체에 비해 현저히 떨어지는 한계점이 존재한다. 이로 인해, 기존에 보고된 2차원 나노반도체(MoS2) 기반 광검출기는 3차원 반도체 기반 광검출기에 비해 약 1000배 이상 낮은 광응답성을 보여(약 1 mA/W), 차세대 광전소자로 활용하기 힘든 어려움이 존재하였다. 

연구팀은 2차원 나노반도체 물질 중 하나인 이황화몰리브덴(MoS2) 표면에 페로브스카이트를 용액공정을 활용하여 얇게 코팅하는 방식으로, 페로브스카이트 및 2차원 나노반도체 물질 간 이종접합 기반 초고성능 하이브리드 광검출기를 구현하는데 성공했다. 페로브스카이트는 최근 학계에서 가장 주목받는 광전소재 물질 중 하나로 뛰어난 광흡수율 및 양자효율, 전하수송특성 등을 지녀, 본 연구에서 2차원 나노반도체 물질의 문제점인 낮은 광흡수율을 보완할 수 있는 광흡수층 소재로써 선택되었다. 또한 3-Aminoprophytriethoxysilane (APTES) 라는 물질을 이용하여 2차원 나노반도체 층을 도핑함으로써, 페로브스카이트 층에서 생성된 광캐리어가 2차원 나노반도체 층에서 재결합되어 사라지는 것을 막아 광응답성을 획기적으로 향상시켰다.

결과적으로, 연구팀은 약 1.94×106 A/W의 높은 광응답성 및 1.94×1012 Jones의 높은 광검출능을 지니는 초고성능 광검출기를 구현하는데 성공하였다. 특히 연구팀이 얻은 높은 광응답성은 일반적으로 널리 사용되는 반도체 물질인 실리콘(Si) 및 갈륨비소(GaAs) 기반의 광검출기보다 백만(106)배 이상 높은 수치이며, 이는 기존 광검출기에 비해 백만 배 이상 약한 세기의 빛도 안정적으로 검출할 수 있음을 의미한다.

이 연구는 2차원 나노반도체의 뛰어난 광응답 특성을 한 단계 향상시킴으로써, 차세대 광전소자 개발 및 광계측/센서 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 나노소자/재료공학 분야 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 9월 21일자에 게재되었다.

논문 제목: An Ultrahigh-Performance Photodetectors based on a Provskite-Transition-Metal-Dichalcogenide Hybrid Structure