강유전체 기반 시냅스 소자의 최근 연구 동향

(1)

Special Theme

04

E2M 전기 전자와 첨단 소재 •

1. 서론

최근, 인공지능(AI) 구현을 위한 머신러닝, 딥 러닝 등의 학습 알고리즘을 개발하는 소프 트웨어 연구와 더불어, 방대한 양의 데이터를 효율적으로 처리할 수 있도록 하는 하드웨어 연구가 많은 주목을 받고 있다. 데이터가 많 아짐에 따라 전력 소모는 AI 응용에 있어 매우 중요한 문제점이며, 이를 해결하고자 인간의 신경계를 모방한 뉴로모픽(neuromorphic) 시 스템이 활발하게 연구 진행 중이다 [1].

한편, 뉴로모픽 시스템 내에서 컴퓨팅의 효 율을 높이기 위해, 시냅스 기능을 모사하는 소 자는 연속적인 가중치 값을 표현할 수 있어야 하며, 작은 동작 전압에서 입력 신호에 따라 선형적이고 대칭적인 가중치 변화를 가져야 한다. 기존의 CMOS 기반으로도 시냅스 기능

을 구현할 수는 있지만, 다수의 트랜지스터 사 용으로 회로 구성이 복잡하며 전력 소모가 크 고 집적도가 낮다는 한계점이 있다. 이러한 이 유로 저전력의 효율적인 시냅스 소자를 구현 하기 위해 다양한 소재 기반의 저항 변화 소자 인 멤리스터(memristor)가 이목을 끌고 있다 [2-4]. 대표적인 멤리스터로는 금속 이온 및 산 소 정공 기반 소자, 상변화 소자, 강유전체 소 자와 스핀 소자 등이 있으며, 특히 이 중에서 도 저전력 차세대 소자로 상용화에 주목받고 있는 강유전체 소자에 대해 집중하고자 한다.

강유전성(ferroelectric)은 외부에서 가하던 전기장이 없어져도 자발적으로 두 방향의 잔 여 분극(remanent polarization)을 갖는 성질을 의미하며, 이러한 강유전성의 자발적 분극 특 성은 저전력ㆍ비휘발성 메모리 소자로 응용 될 수 있다. 강유전성을 갖는 물질로는 산화물

Special Theme 차세대 인공신경망 소재 및 소자

강유전체 기반 시냅스 소자의 최근 연구 동향

1

글_ 노 기 창 박사과정 · 곽 준 영 박사 ^| 한국과학기술연구원

(2)

05

www.kieeme.or.kr• October 2021 Vol. 34, No. 5

계열의 페로브스카이트가 주로 보고되었지 만, 최근에는 두께가 얇으면서도 새로운 전기 적 특성을 갖는 강유전체들로 더욱 폭넓고 다 양한 방식의 연구가 보고되고 있다. 앞서 언 급한 여러 강유전체 특성을 이용하는 소자 는 크게 터널링 현상 기반인 FTJ(ferroelectric tunnel junction)와 트랜지스터와 접목한 FeFET(ferroelectric field effect transistor)로 분류되어 각각 시냅스 소자에 응용되어 연구 중이다 [5,6].

본 원고에서는 최근 보고된 강유전체 물질 동향에 대해 살펴보고, FTJ와 FeFET 구조의 메모리 성능과 이에 기반한 시냅스 소자의 연 구 및 응용 가능성에 관해 기술하고자 한다.

2. 강유전체 물질의 최근 동향

강 유 전 체 는 앞 서 언 급 한 바 처 럼 B T O (BaTiO

3

), PZT(Pb(Zr,Ti)O

3

), SBT(SrBi

2

Ta

2

O

3

) 등 의 주로 페로브스카이트 물질 바탕의 박막 형 태로 연구되어왔다 [7]. 하지만, 페로브스카이 트 물질은 대부분 실리콘 기판과 호환성이 좋 지 않아 기존 CMOS 공정과 접목하기에 다소 어려움이 있으며, 실리콘 계면 사이에 형성된 불규칙적인 표면층에 의해 전체 분극이 줄어 들고 강유전성을 감소시킬 우려가 있다. 또한, 크기가 상대적으로 큰 금속 원자와 3차원 구 조 때문에 50 nm 이하의 얇은 박막 형태에서 는 강유전체 특성이 잘 나타나지 않는 등 여러

한계점을 지녀왔다 [8].

따라서 이러한 문제점을 극복할 수 있는 새 로운 강유전체의 필요성이 대두되었고, HfO

2

박막에 Zr 원자를 도핑시킨 HZO 물질을 시작 으로 반도체 강유전성 물질 In

2

Se

3

, 이차원 물 질을 서로 다른 각도로 틀어서 쌓아 만든 모아 레 무늬(Moir é pattern)에서의 강유전성 발현 등과 같이 다양한 소재와 방법으로 연구가 진 행되고 있다. 이번 장에서는 최근 보고된 대표 적인 연구에 대해 살펴보고 전반적인 강유전 성 물질의 동향에 대해 먼저 논의하고자 한다.

2.1 HZO (Hf

1-x

Zr

x

O

2

)

2011년, HfO

2

박막에 SiO

2

도핑했을 때, 강 유전성 발현이 처음 보고되면서 강유전체의 새로운 방향이 제시되었다 [9]. SiO

2

뿐만 아니 라 Zr, Al 등의 다양한 도핑이 시도되었으며, 그중에서도 다른 dopant에 비해 낮은 열처리

그림 1

^▶

Zr 도핑에 따른 HfO

2

상변화 및 분극 특성 (a) Zr:HfO

2

구

조 모식도 [11], (b) Zr 도핑에 따른 Hf

1-x

Zr

x

O

2

분극 및 유

전율 개형 변화 [10].

(3)

Special Theme

06 온도와 Hf과의 유사한 물성 때문에 Zr을 도 핑한 HZO(Hf

1-x

Zr

x

O

2

)가 더욱 많은 관심을 받 고 있다. HZO는 400~500℃의 온도에서 전 극과 박막 사이에 걸린 응력(stress)에 의한 구조 변화가 생기면서 강유전성이 나타난 다. 열처리를 통한 기존의 monoclinic 상에서 orthorhombic 상으로의 결정 구조 변화로 강 유전체 특성을 가지며, 50%의 Zr 조성비에서 가장 큰 강유전성을 갖는다 (그림 1) [10,11].

이러한 HZO는 주로 ALD (atomic layer deposition) 공정을 통해 증착되기 때문에, 현 반도체 산업 적용에 유리하며 조성비 조절이 쉽고, 얇은 두께의 공정이 가능한 장점이 있 다. 특히, 10 nm 이하의 두께에서도 안정적인 강유전성이 발현되는 점은 소자의 집적도 측 면에 있어서 높은 응용성을 자랑한다.

하지만, 고온에서의 결정 구조 변화는 BEOL 공정 등 어레이 단계의 소자 제작에 어려움 이 있어, 최근 상변화 온도를 낮추려는 연구와 orthorhombic 상으로 바로 성장시키는 방법 들이 보고되고 있다 [12].

2.2 이차원 및 반도체 강유전체

일반적으로 강유전체 물질은 두께가 나 노미터 혹은 그 이하로 작아짐에 따라 결함 (defect), 표면 효과(interface effect), 전하 가 리움 효과(charge screening effect) 등의 외부 요인에 더욱 민감해지며, 분극 스위칭에 따른 결정의 구조적 안정성 및 누설전류 등 많은 제 약이 따랐다. 이러한 이유로 극히 얇은 물질 (ultra-thin) 또는 이차원 물질(2D materials)

기반의 강유전체는 이전까지 많은 연구가 이 루어지지 않았다. 하지만, 소자의 고집적화가 요구되고, 이차원 물질만이 갖는 새로운 물리 적 특징이 기존 실리콘의 한계점을 극복할 가 능성이 제기되면서, 다시금 주목받게 되었다 [13,14].

2015년도 층상 구조의 CuInP

2

S

6

물질을 비롯 해 현재까지 TMDC(WTe

2

, t-MoSe

2

, WS

2

), III

2

- VI

3

반데르 발스 물질(In

2

Se

3

), GeSe, 비스무스 산화물(Bi

2

O

2

S, Bi

2

O

2

Se, Bi

2

O

2

Te) 등 다양한 이 차원 물질에서 강유전성이 이론적으로 예측되 었다 (그림 2). 보고된 이차원 물질들은 두 개 의 분극 스위칭(polarization switching)에 대한 구조적 안정성과 재현성이 뛰어나며 α-In

2

Se

3

, 1T’-MoTe

2

, WTe

2

등의 물질은 상온에서의 강 유전성이 실험적으로도 관찰되었다.

이차원 물질에서 이론 및 실험적으로 보고 된 강유전성은 저차원에서 생길 수 있는 새로 운 물리적 특성, 높은 집적도 및 우수한 유연 성(flexibility) 등 그 자체만으로도 폭넓게 응 용될 수 있지만, 반도체 및 준금속의 전기적 특성도 가질 수 있어, 강유전체의 또 다른 응 용 가능성을 제시한다. 지금까지 주로 보고된

그림 2

^▶

반도체 강유전체 In

2

Se

3

의 물질 구조에 따른 분극 특성 [15].

(4)

07 강유전체는 대부분 밴드갭이 큰 절연체였지 만, α-In

2

Se

3

의 경우, 약 1.39 eV의 밴드갭으로 반도체 특성을 나타내기 때문에 전류 채널로 도 사용될 수 있다 [16]. 이처럼, 다양한 전기 전도성을 가진 이차원 강유전성 물질의 등장 은 이전까지 게이트 절연체(gate insulator)로 만 사용되어왔던 기존 프레임에서 벗어나 색 다른 구조의 소자 디자인을 가능하게 한다.

2.3 모아레 무늬 (Moiré pattern)

2018년, 두 그래핀을 특정 각도(magic a n g l e ) 로 틀 어 서 쌓 았 을 때 , 초 전 도 성 (superconductivity) 현상이 관찰되면서, 이차 원 물질의 붐이 다시 일어났다. 이차원 물질을 이루는 층과 층 사이의 각도에 변화를 주면 또 하나의 새로운 주기적인 포텐셜(potential)을 갖는데, 이를 모아레 무늬(Moir é pattern)이라 부른다. 이러한 모아레 무늬로부터 기존 물질 에서 볼 수 없었던 새로운 물리적 특성이 나타 나면서, 이러한 특성을 이용한 트위스트로닉 스(twistronics) 분야가 최근 3년 동안 굉장한 이목을 끌고 있다.

MIT 대학교 P. Jarillo-Herrero 교수팀의 Z.

Zheng은 2020년 그래핀과 BN의 비틀린 접합 구조(twisted heterostructure)를 통한 강유전성 발현을 보고하였다 [17]. 저자는 두 그래핀의 Bernal-stacked 구조와 BN의 각도를 조절하여 강유전성 반응과 잔여 분극 및 스위칭 현상을 실험적으로 확인하였다. 다음 해인 2021년 같 은 팀 K. Yasuda는 AB-stacked 구조의 bilayer BN에서 강유전성을 보고한 바 있다 [18].

이처럼, 강유전성은 물질 자체에서만 나올 수 있는 특성이 아닌 이차원 물질의 모아레 무 늬에서도 나타날 수 있으며, 이는 앞으로 다양 한 방식의 강유전성 발현 가능성을 시사한다.

3. 강유전체 기반 소자의 시냅스 특성

앞 장에서 기술된 바처럼 현재 강유전체는 새로운 소재와 형태로 다양하게 보고되고 있 다. 이러한, 강유전체는 크게 터널링 현상 기 반인 2단자(2-terminal) FTJ와 트랜지스터 형 태의 3단자(3-terminal) FeFET로 분류되어 활 발히 연구가 이루어지고 있다. 본 장에서는 각 분류별 소자의 시냅스 특성과 연구 동향에 관 해 기술하고자 한다.

3.1 Ferroelectric tunnel junction (FTJ)

FTJ는 상ㆍ하부 금속 전극과 강유전체 사이

의 터널링 전류(tunneling current) 변화에 기

반한 2단자 메모리 소자이다. 강유전체의 분

극 방향에 따라 포텐셜 장벽(potential barrier)

의 크기가 달라지며, 이로 인한 저항 변화로

터널링 전류가 바뀌게 되는데, 이를 터널링전

기저항(tunneling electroresistance, TER)이라

부른다. 이러한 FTJ는 program과 erase가 나

노 초 단위로 빠르게 일어나기 때문에 저전력

으로 구동할 수 있으며, 비파괴적 read 과정으

로 데이터가 손실되지 않는 장점을 갖고 있다.

(5)

Special Theme

08 또한, 얇은 두께의 강유전체와 두 개의 전극만 을 사용하기 때문에 고집적화 크로스바 어레 이 형태로 사용하기 적합하다 (그림 3) [5].

2009년 BTO와 금속 산화물 전극을 사용하 여 TER 효과를 실험적으로 관찰한 이후 [19], 현재까지 다양한 종류의 강유전체와 전극 조 합을 가진 FTJ가 보고되었다. 주로 사용된 강 유전체는 BTO, PZT 등 페로브스카이트 물 질이며, 하부 전극으로는 강유전체의 에피텍 셜 성장을 위한 SrRuO

3

(SRO), LaNiO

3

(LNO), La

0.67

Sr

0.33

MnO

3

(LSMO) 등의 금속 산화물을, 그리고 상부 전극으로는 Pt, Au, Fe, Co 등의 금속을 사용한다.

하지만, 이러한 FTJ를 차세대 메모리 소자로 응용하기 위해선 낮은 소자 동작 온도와 작은 ON/OFF ratio의 문제를 극복해야 한다. 특히, FTJ의 급격한 스위칭 현상과 나노 초 이하의 동작 속도는 점진적인 저항(가중치) 변화와

초저전력이 기초가 되는 시냅스 소자 관점에 서 반드시 해결해야 하는 중요한 요소 중 하나 이다.

낮은 ON/OFF ratio 문제를 해결하기 위해 서 고안된 한 가지 방안으로는 금속 전극의 한 부분을 반도체로 대체하는 것이다. 반도체 전 극을 사용할 경우, OFF 상태에서 분극이 공간 전하(space charge)에 의해 스크린 되며, 포텐 셜 장벽(potential barrier)이 공핍층(depletion layer)까지 확대된다. 즉, 기존의 존재하던 장 벽 외에도 공핍층에 의한 장벽이 추가되면서 TER 효과가 더욱 커지게 된다. 이러한 이유 로 Nb가 도핑된 STO 기판을 사용한 Pt/BTO/

NB:STO 구조에서는 ON/OFF ratio가 상온에 서 5.1×10

⁷

까지 관찰되었다. 이뿐만 아니라, 같은 하부 전극의 Ag/BTO/Nb:STO 구조에서 는 동작 속도가 600 ps까지 측정되었으며 [20], 900 ns에서 60 μS의 전기전도도 변화량의 STDP (spike-timing-dependent plasticity) 특 성을 보여줌으로써 시냅스 소자로의 응용 가 능성을 확인하였다 [21].

한편, 점진적인 저항 변화에 무게를 둔 FTJ의 시냅스 가소성(synaptic plasticity) 연구도 다양 하게 보고되고 있다. 2017년 건국대학교 박배 호 교수팀의 윤찬수 연구원은 강유전체를 활 성화 금속과 접목해 기존 이온 기반 메모리 소 자에서 보였던 급격한 스위칭 변화를 완화 시 키고 점진적인 저항 변화를 관찰했다 [22]. 강 유전체로는 PZT, 활성화 금속은 Ag를 사용 하였고 외부 전기장에 의한 PZT 내부의 분 극 변화로 Ag 이온 필라멘트 형성을 제어하여

그림 3

^▶

(a) FTJ의 동작 원리 모식도, (b) 최근 10년간 보고된 FTJ의 ON/OFF ratio 특성 [5].

a

b

(6)

09 점진적인 전류 변화를 확인하였다. 또한, 10

⁷

의 높은 ON/OFF ratio 및 pJ 범위의 저전력 소 모를 관찰하였다.

2021년 VTT 핀란드 기술연구센터의 S.

Majumdar는 플렉서블 소자에 응용 강점이 있 는 유기물 강유전체와 반도체 하부 전극을 사 용하여 점진적인 저항 변화를 보고했다. 저 자는 강유전성 코폴리머와 Nb가 도핑된 STO 기판을 사용하였으며, 10

⁴

범위의 ON/OFF ratio에서 pJ~fJ 단위의 저전력 구동을 확인했 다. 또한, 장ㆍ단기 시냅스 강화 및 저하 곡선 (potentiation & depression curve, PD curve) 와 PPF (paired-pulse facilitation)과 STDP 등 의 다양한 시냅스 소자 성능을 평가했으며, 20 ns 입력 펄스로 각각 νp = 1.2, νd = 1.6의 선 형성을 보였다 (그림 4(a)) [23].

이렇듯 FTJ 소자는 주로 상ㆍ하부 전극 소재 에 변화를 주어 메모리 특성 향상과 시냅스 소 자로의 성능이 보고되었다. 하지만, 강유전체 물질로 사용된 대부분의 페로브스카이트 물 질은 고결정성에서 강유전성이 발현되기 때 문에, 한정된 기판과 제한된 조건에서만 성장 이 가능하다는 제약이 있으며, 매우 얇은 층으 로 만들기에는 어려움이 있다. 이에 상대적으 로 쉬운 성장과 CMOS 공정과 호환성이 좋은 HZO를 FTJ 소자에 사용하기 시작했다. HZO 기반의 FTJ는 본격적으로 연구된 지는 얼마 되 지 않았지만, 1.8 pJ의 저전력 구동과 10

³

사 이클 이상의 메모리 성능과 함께 PD curve와 STDP 시냅스 특성 및 96% 이상의 패턴 학습 정 확도 시뮬레이션 결과가 최근 보고된 바 있다.

그러나 페로브스카이트에 비해 낮은 TER ratio 를 보여, 이를 극복하고자 Al

2

O

3

층을 내부에 추가로 쌓는 등의 다양한 방법이 고안되고 있 다 (그림 4(b)) [24].

3.2 Ferroelectric FET (FeFET)

강유전체를 FET에 접목한 FeFET은 게이트 전극을 이용해 강유전체의 분극 스위칭에 따라

그림 4

^▶

(a) 강유전성 코폴리머 P(VDF-TrFE) 기반의 FTJ PD curve 및 선형성 [23], (b) HZO 기반 FTJ의 STDP 특성 [24].

a

b

(7)

Special Theme

10 채널의 전류 변화를 유도하는 방식이다. 외부 에서 가해주던 게이트 전압을 멈추게 되더라 도 강유전체의 잔여 분극이 남아있어 비휘발 성 메모리에 응용할 수 있으며, 이러한 특징은 transfer curve에서 히스테리시스로 나타난다 (그림 5) [6].

기본적으로 FeFET은 강유전체가 기존의 FET 구조의 절연체 자리에 위치하여 반도 체 채널의 반전층(inversion layer)을 생성시 키는 기존 FET과 구동 방식은 같지만, 인가 된 게이트 전압에 의해 유도된 강유전체의 분 극이 문턱 전압에 변화를 준다는 점에서 차이 가 있다. 이로 인해, 채널에 도달하는 전기장 의 크기를 감소시킬 수 있고, 분극의 스위칭 속 도가 빨라, SRAM과 DRAM보다 작은 전력으 로 빠른 write/read 동작이 가능하다. 하지만, RRAM 및 PRAM 등의 저항 변화 메모리에 비 해 상대적으로 낮은 보존성(retention)과 내구 성(endurance)으로 인해 연구가 주춤하는 듯했 으나, HZO의 등장으로 다시금 집중 받고 있다.

먼저, 페로브스카이트 강유전체 기반의 FeFET는 안정적인 스위칭, 낮은 항전기장 (coercive field)과 높은 유전율 갖고 있어 빠 르면서 저전력 구동이 가능하다. PZT의 경 우 0.1 MV/cm의 항전기장, 30~60 μC/cm

²

의 분극 크기를 가지며 [25], 시냅스 특성으로는 ZnO/PZT 구조의 FeFET에서 STDP가 측정되 었고 [26], WS

2

/PZT에서는 전기적 펄스뿐만 아 니라 광학적으로도 가소성(plasticity)을 제어 할 수 있음이 보고되었다 [27]. 또한, 중국 SIAT 의 C. Ren은 Mica 기판에 PZT/ZnO FeFET를 제작하여 200℃ 이상에서도 500 사이클 이 상의 높은 재현성을 보여주는 결과가 보고되 면서, FeFET의 플렉서블 소자의 가능성 또 한 확인되었다 [28]. 하지만, 페로브스카이트 의 제한된 성장 조건과 얇은 두께로 공정하 기 어려운 점은 여전히 한계점으로 남아있다.

HZO 기반의 FeFET는 앞에서 여러 번 언급 된 다수의 장점 때문에, 최근 들어 가장 많이 연구되고 있으며, 실제 상용화 가능성도 매우 크다. 2017년 IEDM에서 발표된 바에 의하면, p-Si/HZO FeFET는 RRAM보다 대칭성과 학습 정확도가 높고 동작 속도 또한 나노 초 단위 로 더 빠르다. 약 75 ns 너비의 펄스 전압으로 1.75 (ν

p

)과 1.46 (ν

d

)의 선형 계수를 보이며, 다른 산화물 메모리(TaO

x

/TiO

2

, PCMO, Ag:a- Si, AlO

x

/HfO

2

)와 MNIST 기반 온라인 학습 인 식률을 비교했을 때 90%의 가장 높은 수치를 기록했다 (그림 6) [29].

2019년 보고된 IGZO(In-Ga-Zn-O) 채널 기 반 HZO FeFET는 64 레벨의 0.8028 (ν

p

)과

그림 5

^▶

FeFET의 기본 구조 및 게이트 전압에 따른 에너지 밴드

모식도 [6].

(8)

11 0.6979 (ν

d

)의 매우 뛰어난 선형성과 100 사 이클의 우수한 PD curve 내구성을 보였다 [30]. 특히 IGZO 채널 기반의 HZO FeFET는 program/erase 과정을 약 10

⁸

사이클 진행해 도 유지되는 매우 뛰어난 내구성이 추가로 보 고된 바 있다 [31].

실리콘과 IGZO 채널에서 HZO FeFET의 우 수성이 검증됨과 동시에 최근에는 높은 속도 와 저전력의 구동 가능성이 있는 이차원 물질 을 이용한 기초 연구가 보고되고 있다. 싱가 포르 국립대학의 L. Chen 그룹에서는 WS

2

채 널 기반의 HZO FeFET을 만들어 시냅스 소자 로의 성능을 보고했다. 펄스 크기와 너비를 조 절하면서, SADP (spike-amplitude dependent plasticity)과 SRDP (spike-rate dependent

plasticity) 특성을 관찰한 바 있다 [32].

한편, 2015년부터 본격적으로 다양한 전기 적 특성을 가진 이차원 물질의 강유전성 연구 가 진행되면서, 새로운 구조의 FeFET이 제안 되어왔다. 이후 2019년, 반도체이면서 강유전 성을 갖는 이차원 물질 α-In

2

Se

3

을 바탕으로 반도체 강유전체 FET인 FeS-FET (ferroelectric semiconductor FET)가 처음 보고되면서 [16]

다양한 구조와 특성을 가진 강유전체 FET 연 구를 촉진시켰다. FeS-FET는 강유전체를 절연 층으로 사용했었던 기존의 FeFET과는 다르게 반도체 성질을 갖는 강유전체를 전류 채널로 이용한 FET이다. 강유전체를 전류 채널로 사 용하여 강유전성의 이점은 그대로 가지면서, 절연층으로는 고효율을 갖는 HfO

2

, Al

2

O

3

물 질을 쓸 수 있기 때문에, FeFET에 비해 우수한 보존성을 기대할 수 있다.

퍼듀 대학교의 M. Si는 α-In

2

Se

3

를 강유전성 채널로 사용하여 산화물 절연층의 두께에 따 른 FeS-FET의 히스테리시스 동작과 관련 메커 니즘을 제시하였다. 절연층의 두께가 두꺼운 경우, 게이트에서 가한 전압이 강유전체 채널 의 분극을 완전히 변화시키지 못해 부분적으 로 밴드 밴딩이 일어나지만, 절연층의 두께가 충분히 얇은 경우, 강유전체 채널 전체에 분극 이 유도되며, 이로 인해 두께가 두꺼운 경우 와 반대 방향의 히스테리시스 거동을 가진다.

FeS-FET의 소자 성능은 상부에 Al

2

O

3

보호층 을 쌓은 경우, 약 10

⁸

이상의 큰 ON/OFF ratio 와 312 cm

²

/Vㆍs의 높은 모빌리티를 보였다.

이뿐만 아니라, FeS-FET는 빠르고 저전력의

그림 6

^▶

HZO/p-Si FeFET 시냅스 특성 [29]. (a) 소자 구조 및 입 력 펄스에 따른 분극 스위칭 모식도, (b) 32 states PD curve 및 선형도, (c) NeuroSim 기반 MNIST 데이터 테 스트, (d) FeFET pseudo-crossbar array에서의 read 기능 디자인 모식도.

a b

c d

(9)

Special Theme

12 시냅스 소자에도 응용될 수도 있다. 2021년, 상하이 푸단 대학교의 S. Wang는 α-In

2

Se

3

FeS FET을 통해 40 ns의 write speed와 수십 fJ 단 위의 에너지 소모를 확인했으며, PD curve와 SRDP뿐만 아니라 온도 변화를 통한 시냅스 특성 및 약 95%의 그림 분류 시뮬레이션 정확 도를 보고한 바 있다 (그림 7) [33].

4. 맺음말

강유전체는 초스피드ㆍ초저전력 연산을 가능케 하는 대표 차세대 물질 중 하나이다.

HZO가 나온 이후에는 고집적화의 가능성이 커지면서, 관심도와 기대치가 더욱 높아졌고,

최근에는 이차원 물질과 모아레 무늬에서의 강유전성 발견으로 응용될 수 있는 폭이 한 차 원 더 넓어졌다. 지금까지 소자 단계에서 보고 된 시냅스 성능에 높은 보존성과 내구성의 재 현성을 더욱 보완한다면, 어레이 단계까지 나 아가 상용화를 보다 앞당길 수 있을 것이다.

본 원고에서는 강유전체 물질부터 FTJ 및 FeFET 구조에서 시냅스 특성 확보까지 전반 적인 최근 연구 동향에 대해 논의했다. 논의한 내용들이 앞으로의 강유전체 기반의 시냅스 소자 연구에 있어 조금이나마 도움이 될 수 있 길 바라며 이 글을 마친다.

그림 7

^▶

(a) FeS-FET의 동작 모식도 및 히스테리시스 개형 [16], (b) α-In

2

Se

3

FeS-FET의 PD curve 및 온도 변화에 따른 가소성, (c) 붓꽃 인식 및 분류 개형 모식도 및 온도 변화 에 의한 학습도 평가 [33].

a

b

c

(10)

13 참 ^/ 고 ^/ 문 ^/ 헌

[1] A. Cappy, Neuro-Inspired Information Processing (John Wiley & Sons: NJ. Hoboken, 2020).

[2] G. W. Burr, R. M. Shelby, A. Sebastian, S. Kim, S.

Kim, S. Sidler, K. Virwani, M. Ishii, P. Narayanan, A. Fumarola, L. L. Sanches, I. Boybat, M. Le Gal- lo, K. Moon, J. Woo, H. Hwang, and Y. Leblebici, Advances in Physics: X, 2, 89 (2016).

[3] S. Yu, Proceedings of the IEEE, 106, 260 (2018).

[4] N. K. Upadhyay, H. Jiang, Z. Wang, S. Asapu, Q.

Xia, and J. Joshua Yang, Advanced Materials Tech- nologies, 4, 1800589 (2019).

[5] Z. Wen and D. Wu, Adv Mater, 32, e1904123 (2020).

[6] J. Y. Kim, M. J. Choi, and H. W. Jang, APL Materi- als, 9, 021102 (2021).

[7] N. Nuraje, K. Su, Nanoscale, 5, 8752 (2013).

[8] M. H. Park, Y. H. Lee, T. Mikolajick, U. Schro- eder, and C. S. Hwang, MRS Communications, 8, 795 (2018).

[9] T. S. Böscke, J. Müller, D. Bräuhaus, U. Schröder, and U. Böttger, Applied Physics Letters, 99, 102903 (2011).

[10] J. Müller, T. S. Böscke, U. Schröder, S. Mueller, D. Bräuhaus, U. Böttger, L. Frey, and T. Mikola- jick, Nano Letters, 12, 4318 (2012).

[11] P. S. Chen, and C. W. Liu, Materials Research Ex- press, 6, 095045 (2019).

[12] H. W. Cho, P. Pujar, M. Choi, S. Kang, S. Hong, J.

Park, S. Baek, Y. Kim, J. Lee, and S. Kim, npj 2D Materials and Applications, 5, 46 (2021).

[13] Z. Guan, H. Hu, X. Shen, P. Xiang, N. Zhong, J.

Chu, and C. Duan, Advanced Electronic Materials, 6, 1900818 (2019).

[14] Z. Liu, L. Deng, and B. Peng, Nano Research, 14, 1802 (2020).

[15] W. Ding, J. Zhu, Z. Wang, Y. Gao, D. Xiao, Y.

Gu, Z. Zhang, and W. Zhu, Nature Communica- tions, 8, 14956 (2017).

[16] M. Si, A. K. Saha, S. Gao, G. Qiu, J. Qin, Y. Duan, J. Jian, C. Niu, H. Wang, W. Wu, S. K. Gupta, and P. D. Ye, Nature Electronics, 2, 580 (2019).

[17] Z. Zheng, Q. Ma, Z. Bi, S. de la Barrera, M.-H.

Liu, N. Mao, Y. Zhang, N. Kiper, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Kong, W. A. Tisdale, R. Ashoori, N. Gedik, L. Fu, S. Y. Xu, and P. Jarillo-Herrero, Nature, 588, 71-76 (2020).

[18] K. Yasuda, X. Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, and P. Jarillo-Herrero, Science, 372, 1458 (2021).

[19] V. Garcia, S. Fusil, K. Bouzehouane, S. Enouz- Vedrenne, N. D. Mathur, A. Barthélémy, and M.

Bibes, Nature, 460, 81 (2009).

[20] C. Ma, Z. Luo, W. Huang, L. Zhao, Q. Chen, Y.

Lin, X. Liu, Z. Chen, C. Liu, H. Sun, X. Jin, Y.

Yin, and X. Li, Nature Communications, 11, 1439 (2020).

[21] J. Li, N. Li, C. Ge, H. Huang, Y. Sun, P. Gao, M. He, C. Wang, and G. Yang, iScience, 16, 368 (2019).

[22] C. Yoon, J. H. Lee, S. Lee, J. H. Jeon, J. T. Jang, D. H. Kim, Y. H. Kim, and B. H. Park, Nano Let- ters, 17, 1949 (2017).

[23] S. Majumdar, Nanoscale, 13, 11270 (2021).

[24] H. Ryu, H. Wu, F. Rao, and W. Zhu, Scientific Re- ports, 9, 20383 (2019).

[25] T. P. Ma and N. Gong, (2019 IEEE 11th Interna- tional Memory Workshop (IMW), 2019), p. 1-4.

(11)

Special Theme

14

[26] Y. Nishitani, Y. Kaneko, M. Ueda, T. Morie, and E. Fujii, Journal of Applied Physics, 111, 124108 (2012).

[27] Z. D. Luo, X. Xia, M. M. Yang, N. R. Wilson, A.

Gruverman, and M. Alexe, ACS Nano, 14, 746 (2020).

[28] C. Ren, G. Zhong, Q. Xiao, C. Tan, M. Feng, X.

Zhong, F. An, J. Wang, M. Zi, M. Tang, Y. Tang, T. Jia, and J. Li, Advanced Functional Materials, 30, 1906131 (2020).

[29] M. Jerry, P. Chen, J. Zhang, P. Sharma, K. Ni, S.

Yu, and S. Datta, (2017 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2017), pp. 6.2.1-6.2.4.

[30] M. K. Kim and J. S. Lee, Nano Letters, 19, 2044 (2019).

[31] F. Mo, Y. Tagawa, C. Jin, M. Ahn, T. Saraya, T.

Hiramoto, and M. Kobayashi, IEEE Journal of the Electron Devices Society, 8, 717 (2020).

[32] L. Chen, L. Wang, Y. Peng, X. Feng, S. Sarkar, S.

Li, B. Li, L. Liu, K. Han, X. Gong, J. Chen, Y. Liu, G. Han, and K. W. Ang, Advanced Electronic Ma- terials, 6, 2000057 (2020).

[33] S. Wang, L. Liu, L. Gan, H. Chen, X. Hou, Y.

Ding, S. Ma, D. W. Zhang, and P. Zhou, Nature Communication, 12, 53 (2021).

성명 노 기 창

학력

2015년

아주대학교 물리학과 학사

2017년

아주대학교 응용물리전공 석사

2020년 ~ 현재

KAIST 신소재공학과 박사과정 경력

2020년 ~ 현재

한국과학기술연구원 학생연구원

성명 곽 준 영

학력

2004년

Cornell University 전자공학 학사

2005년

Cornell University 전자공학 석사

2015년

Cornell University 전자공학 박사

경력

2005년 ~ 2009년

삼성전자 반도체 Flash 메모리 설계

2015년 ~ 2017년

미국 Intel Corporation Senior Device Engineer

2017년 ~ 현재

한국과학기술연구원 선임연구원

저

^/

자

^/

약

^/