킹 압둘라 과학기술대학교(King Abdullah University of Science and Technology)가 이끄는 연구원들은 강유전성 물질에서 다중 상전이를 유도하여 잠재적으로 고성능, 저전력 메모리 장치 및 뉴로모픽 컴퓨팅 칩 개발을 촉진할 수 있는 양성자 매개 방법을 발견했습니다. 팀의 목표는 에너지를 덜 소비하고 더 빠르게 실행되는 메모리 장치와 강유전성 뉴로모픽 컴퓨팅 칩의 저장 용량을 늘리는 것입니다.

인듐 셀렌화물과 같은 강유전성 물질은 본질적으로 극성을 갖고 있으며 전기장에 노출되면 극성이 바뀔 수 있습니다. 이 속성은 메모리 기술 개발을 위한 매력적인 선택이 됩니다. 그 결과 메모리 장치는 낮은 전압에서 작동하면서 뛰어난 읽기/쓰기 내구성과 쓰기 속도를 갖습니다. 그러나 저장 용량은 제한되어 있습니다.

이번 연구의 공동 리더인 He Xin은 용량 제한은 현재 기술이 소수의 강유전성 상만 유도할 수 있다는 사실에서 비롯되며 이러한 강유전성 상을 기록하는 것은 실험에 큰 어려움을 안겨준다고 설명했습니다. 그는 Xue Fei와 Zhang Xixiang의 지도 하에 이 연구를 수행했습니다.

연구팀의 강유전성 뉴로모픽 컴퓨팅 칩이 실험실에서 테스트되고 있습니다. 이미지 출처: © 2023 KAUST, Fei Xue.

 

연구팀의 새로운 방법은 인듐 셀렌화물의 양성자화를 기반으로 하여 여러 강유전성 상을 생성합니다. 연구진은 실리콘으로 지지되는 적층형 이종 구조로 구성된 트랜지스터에 강유전성 물질을 통합하여 평가했습니다.

그들은 바닥의 백금층과 상단의 다공성 이산화규소 층 사이에 중첩된 산화알루미늄 절연 시트로 구성된 이종 구조 위에 인듐 셀렌화물의 얇은 필름을 적층했습니다. 백금층은 인가된 전압에 대한 전극 역할을 하고, 다공성 이산화규소는 전해질 역할을 하여 강유전체막에 양성자를 제공합니다.

연구진은 인가된 전압을 변화시켜 강유전체막에 양성자를 점진적으로 주입하거나 제거했다. 이는 서로 다른 양성자화 정도를 갖는 여러 강유전성 상을 가역적으로 생성하며, 이는 대용량 저장 용량을 갖춘 다중 레벨 메모리 장치를 구현하는 데 중요합니다.

양의 전압이 높을수록 양성자화 정도가 높고, 음의 전압이 높을수록 양성자화 정도가 낮습니다. 양성자화 수준의 변화는 필름층과 실리카 사이의 거리에 따라 달라집니다. 실리카와 접촉하는 바닥층에서는 양성자화 수준이 가장 높은 값에 도달하는 반면, 최상층에서는 양성자화 수준이 점차 감소하여 가장 낮은 값에 도달합니다.

예기치 않게 전압이 꺼지면 양성자 유도 강유전체 상이 원래 상태로 돌아갑니다. "우리는 양성자가 물질 밖으로 확산되어 이산화규소로 확산되기 때문에 이러한 특이한 현상을 관찰했습니다"라고 Xue는 설명했습니다.

연구팀은 이산화규소와 매끄럽고 연속적인 경계면을 갖는 박막을 생성함으로써 양성자 주입 효율이 높고 작동 전압이 0.4V 미만인 장치를 구현했습니다. 이는 저전력 메모리 소자 개발에 있어서 중요한 요소이다.

Xue는 작동 전압을 낮추는 것이 주요 과제임을 인정하면서도 인터페이스에서의 양성자 주입 효율로 작동 전압을 제어할 수 있고 이에 따라 조정될 수 있다고 설명했습니다. "우리가 직면한 가장 큰 과제는 작동 전압을 낮추는 것이었지만 인터페이스에서 양성자 주입의 효율성이 작동 전압을 제어하고 그에 따라 조정할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 우리는 전력을 덜 소비하고 더 빠르게 작동하는 장치를 개발하기 위해 최선을 다하고 있습니다." . 강유전성 뉴로모픽 컴퓨팅 칩."