이번 연구를 수행한 공동연구팀. 최신현(왼쪽부터) KAIST 교수, 배종민 KAIST 석사과정, 권초아 한양대 박사후연구원, 김상태 한양대 교수.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 인간의 뇌를 모방해 하드웨어 기반으로 인공지능 연산을 구현하는 뉴로모픽 컴퓨팅 기술이 최근 주목받고 있다. 뉴로모픽 컴퓨팅의 단위 소자로 활용되는 멤리스터(전도성 변화 소자)는 저전력, 고집적, 고효율 등의 장점이 있지만 멤리스터로 대용량 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현하는데 불규칙한 소자 특성으로 인한 신뢰성 문제가 발견됐다.

KAIST는 전기및전자공학부 최신현 교수 연구팀이 한양대학교와 공동연구를 통해 차세대 메모리 소자의 신뢰성과 성능을 높일 수 있는 ‘이종원자가 이온’ 도핑 방법을 개발했다고 21일 밝혔다.

이종원자가 이온(Aliovalent ion)이란 원래 존재하던 원자와 다른 원자가(공유 결합의 척도)를 갖는 이온을 말한다.

연구팀은 기존 차세대 메모리 소자의 가장 큰 문제인 불규칙한 소자 특성 변화 문제를 개선하기 위해, 이종원자가 이온을 도핑하는 방식으로 소자의 균일성과 성능을 향상할 수 있다는 사실을 실험과 원자 수준의 시뮬레이션을 통해 원리를 규명했다.

연구팀은 이러한 불규칙한 소자 신뢰성 문제를 해결하기 위해 이종원자가 할라이드(halide) 이온을 산화물 층 내에 적절히 주입하는 방법이 소자의 신뢰성과 성능을 향상할 수 있음을 보고했다. 이같은 방법으로 소자 동작의 균일성, 동작 속도, 그리고 성능이 증대됨을 실험적으로 확인했다.

개발한 이종원자가 이온 도핑 결과 및 개선 효과 원리 개념도.[KAIST 제공]

또한 원자 단위 시뮬레이션 분석을 통해 결정질과 비결정질 환경에서 모두 실험적으로 확인한 결과와 일치하는 소자 성능 개선 효과가 나타남을 확인했다. 그 과정에서 도핑된 이종원자가 이온이 근처 산소 빈자리(oxygen vacancy)를 끌어당겨 안정적인 소자 동작을 가능하게 하고, 이온 근처 공간을 넓혀 빠른 소자 동작을 가능하게 하는 원리를 밝혀냈다.

최신현 교수는 “이번에 개발한 이종원자가 이온 도핑 방법은 뉴로모픽 소자의 신뢰성과 성능을 획기적으로 높이는 방법”이라며 “차세대 멤리스터 기반 뉴로모픽 컴퓨팅의 상용화에 기여할 수 있고, 밝혀낸 성능 향상 원리를 다양한 반도체 소자들에 응용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 6월호에 출판됐다.