에너지과학과 양희준 교수 연구팀이 2차원 소재 그래핀과 질화 붕소 (h-BN)를 활용하여 테라비트급 (terabit, 1012개의 메모리 집적소자) 초고속 초절전 비휘발성 메모리 소자를 개발했다.

사물인터넷, 인공지능, 뉴로모픽 컴퓨팅 등의 미래 기술 실현을 위해서는, 현재 활용되는 실리콘 기반 낸드플래시보다 100배 이상 에너지 소모가 적고, 100배 이상 빠른 속도의 차세대 고집적 비휘발성 메모리 개발이 필수적으로 요구된다.

이를 위해, 실리콘 이외의 다른 소재(산화물 반도체, 2차원 소재)를 활용한, 상변화 메모리 (PRAM), 저항 메모리 (RRAM) 등이 활발하게 연구되었지만, 실리콘 공정 중심의 메모리 구현과 비교하여, 새로운 소재의 안정적 동작 및 기존 CMOS 설계와 다른 고집적화 방법에서 많은 기술적 난관이 존재했다.

본 연구에서는 2차원 소재, 그래핀과 질화붕소(h-BN)를 활용하여, 새로운 개념의 ‘자가 선택 메모리 (self-selective memory)’를 개발하였고, 이를 통해 기존의 트랜지스터를 활용하지 않고도 테라비트급 집적도와, 낸드플래시에 비해 1000배 적은 에너지로 100배 빠른 초절전, 초고속 메모리 동작이 가능함을 보였다. 그래핀의 우수한 기계적, 전기적 특성과 질화붕소를 통한 양자 터널링 특성을 융합하여 새로운 개념의 메모리 소자를 개발할 수 있었다.

양희준 교수는 “테라비트급 초고속 초절전 비휘발성 메모리 개발은 4차 산업혁명시대의 사물인터넷, 인공지능 등의 산업을 주도적으로 열 수 있는 핵심 기술” 이라면서 “이번 연구는 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발을 위한 최대 난제를, 고전적인 실리콘 트랜지스터를 사용하지 않고, 2차원 소재를 활용하여 해결할 수 있는 방법을 보인 첫 사례” 라고 밝혔다.

이 성과는 국제학술지 ’Nature Communications (IF=11.880)’에 2019년 7월 18일에 게재되었다.

이 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행되었으며, 박사후연구원 Dr. Linfeng Sun (에너지과학과)이 제 1저자로 참여하였다.

(그림) 2차원 소재 기반 자가 선택 메모리 구조와 SKKU를 별도의 선택 소자 없이 저장한 모습