융합전자공학부 유호천 교수팀, 한국기계연구원·성균관대 공동연구
빛의 입력 순서와 시간 간격 기억하는 새로운 방식의 반도체 구현
AI 연산 성능 확인…차세대 뉴로모픽 반도체 개발 새 가능성 제시

한양대학교 연구진이 빛의 입력 순서와 시간 간격을 기억하는 차세대 광메모리 소자를 개발했다.

이를 통해 6인치 웨이퍼 규모에서 2차원 반도체의 두께를 원자층 단위로 정밀하게 제어하고, 인공지능(AI) 연산에 활용할 수 있는 가능성을 확인했다.

한양대학교는 융합전자공학부 유호천 교수 연구팀이 한국기계연구원·성균관대학교 공동연구진과 함께 2차원 반도체인 이황화텅스텐(WS₂)을 활용한 광멤리스터(opto-memristor) 소자를 개발했다고 2일 밝혔다.

2차원 반도체는 원자 수준의 얇은 두께와 우수한 광학적 특성으로 차세대 전자소자 소재로 주목받고 있다. 하지만 원자층 단위로 두께를 정밀하게 조절하면서 대면적에서도 균일한 특성을 확보하기 어렵다는 한계가 존재했다.

이로 인해 빛을 감지하는 기능과 이전 자극을 기억하는 기능을 하나의 소자에 구현하는 것도 기술적 과제로 꼽혔다.

연구팀은 플라즈마 기반 합성 공정과 반응성 이온 식각 기술을 결합하면서 문제를 해결했다. 6인치 웨이퍼에 형성한 텅스텐 박막을 이황화텅스텐으로 합성한 뒤 식각 조건을 조절해 반도체 두께를 5층에서 2층까지 원자층 단위로 제어했다.

초기 박막의 표면 거칠기가 반도체의 결정 구조와 식각 균일성에 영향을 미친다는 점도 확인했다.

이러한 과정을 거쳐 제작한 WS₂를 활용해 빛의 자극을 기억하는 광멤리스터 소자를 구현했다. 해당 소자는 빛을 감지하는 동시에 이전에 받은 빛의 영향을 전기적 상태로 저장하는 특성을 갖는다.

반복적으로 빛을 조사했을 때 자극의 지속 시간과 입력 간격에 따라 광전류가 달라졌으며 외부 읽기 전압을 가하지 않아도 반응이 나타났다.

특히 4층 WS₂ 소자는 네 차례의 빛 자극으로 구성할 수 있는 16가지 입력 조합을 서로 다른 전류 상태로 구분했다. 빛의 세기뿐만 아니라 자극이 입력된 순서와 시간적 간격까지 소자에 반영할 수 있음을 보여줬다.

연구팀은 소자의 광응답 특성을 반영한 리저버 컴퓨팅(Reservoir Computing) 모델을 구축해 AI 연산 성능도 검증했다.

WS₂의 층수에 따라 단·장기 기억에 해당하는 시간적 응답이 달라지는 점도 확인해 반도체 두께를 조절하는 방식으로 소자의 기억 특성을 설계할 수 있는 가능성을 제시했다.

유호천 교수는 “이번 연구는 원자층 단위의 정밀한 두께 제어 기술을 6인치 웨이퍼 규모로 확장하고 이를 실제 광메모리 소자의 동작 특성과 연결했다는 데 의미가 있다"며 “빛의 입력 순서와 시간에 따라 달라지는 소자 응답을 인공지능 연산에 활용할 수 있음을 확인해 차세대 뉴로모픽 반도체 개발을 위한 새로운 가능성을 제시했다"고 말했다.

이번 연구는 한국기계연구원 기관사업과 산업통상자원부 K-CHIPS 사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐다.

논문에는 한국기계연구원 김성호·김무영 연구원, 한양대학교 조준형·최연호 석박사통합과정생, 성균관대학교 김건형 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 한국기계연구원 김형우 박사와 한양대학교 유호천 교수·박태현 박사는 교신저자로 이름을 올렸다.

연구 결과는 재료·전자소자 분야 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 지난달 22일 게재 승인됐다.

백솔미 기자 bsm@ekn.kr