미세한 층간 움직임이 만든 1,900만 배 읽기 차이

슬라이딩 강유전체는 원자층이 서로 조금 미끄러지면서 전기 분극 방향을 바꾼다. 반복 전환에 강하다는 장점이 있지만, 분극 신호가 약해 전극 두 개로 이뤄진 소자에서는 저장된 두 상태를 뚜렷하게 구분하기 어려웠다. 중국과학원 반도체연구소와 홍콩대 연구진은 읽기 신호를 키우는 층 구조로 이 문제에 접근했다. 크롬(Cr)·육방정계 질화붕소(h-BN)·3R-MoS₂·단층 그래핀을 차례로 쌓은 터널 접합을 만들고, 같은 설계를 1T′-ReS₂ 계열에도 확장했다. 810

약한 분극을 어떻게 크게 읽었나

각 층의 역할을 나눈 것이 핵심이다. h-BN은 누설 전류를 줄이는 비교적 균일한 터널 장벽이다. 3R-MoS₂의 층간 위치가 미세하게 바뀌면 분극 방향이 뒤집히고, 이에 따라 전자가 장벽을 통과하기 쉬운 정도가 달라진다. 단층 그래핀은 분극 변화를 강하게 차폐하지 않는 전극으로, 터널링에 참여할 수 있는 전하 운반자 수도 그 변화에 민감하게 반응한다. 장벽과 그래핀 쪽 전하가 함께 바뀌면서 작은 분극 차이가 큰 읽기 신호 차이로 이어진다. 89

분극을 전환하는 층과 터널 장벽을 담당하는 층을 분리한 덕분에, 연구진은 슬라이딩 분극의 반복 전환 내구성을 살리면서 읽기 신호를 키울 수 있었다. 89

수치가 보여준 성과와 아직 남은 과제

0.5V 읽기 전압에서 보고된 터널 전기저항비는 1.9 × 10⁷, 즉 약 1,900만이었다. 연구 보도에 따르면 이는 앞서 보고된 슬라이딩 강유전 터널 접합보다 네 자릿수 이상 높다. 전류가 잘 흐르는 상태의 전류 밀도는 222A/cm²였고, 13나노초(ns) 길이의 펄스로도 안정적으로 전환됐다. 보고된 전환 에너지는 비트당 6.5펨토줄(fJ), 반복 전환 내구성은 1,000억 회 이상이다. 13ns는 전환에 사용된 펄스의 길이로, 완성된 메모리 칩의 동작 속도를 뜻하지는 않는다. 10

연구진이 제작한 8×8 어레이에서도 64개 셀 모두 두 상태 사이의 일관된 비휘발성 전환을 보였다. 전원을 끈 뒤에도 상태를 유지하는 메모리와, 데이터를 저장한 자리에서 연산하는 ‘메모리 내 연산’ 소자로 발전시킬 가능성을 보여주는 결과다. 다만 64개 셀의 실험만으로 더 큰 어레이와 주변 회로까지 포함한 칩의 성능이 검증된 것은 아니다. 1011