iCVD 하이브리드 박막의 이온 전도를 통해 컨트롤 가능한 고 신뢰성 MoS$_2$ 이온 시냅스 소자

Abstract

처리해야 할 데이터의 양이 기하급수적으로 늘어남에 따라서, 메모리와 프로세서 사이의 버스(bus)에서 발생하는 방목현상은 필수불가결하게 커지게 되었다. 따라서 이를 극복하기 위하여 기존의 폰노이만 구조에서 벗어나 메모리 및 프로세서를 결합하는 동시에, 기존의 CMOS기반의 소자를 나노 물질 소자로 대체하여 뉴로모픽 컴퓨팅을 하고자 하는 노력은 계속해서 지속되어 왔다. RRAM, PCM을 기반으로 하는 2-단자 소자, 플로팅-게이트 트랜지스터, 강유전체 기반의 트랜지스터 등의 3-단자 소자를 포함한 다양한 하드웨어들이 지속적으로 연구되어 왔다. 그 중, 3-단자 이온 트랜지스터는 전해질 내의 이온을 움직여 반도체 채널의 전도도를 컨트롤 한다는 점이 이온을 이용해 동작되는 인간의 신경계와 가장 비슷하며, 장기 강화/장기 억제의 선형성과 대칭성이 좋아 뉴로모픽 컴퓨팅의 가속을 위한 시냅스 소자로 많은 연구가 되고있다. 하지만 이온의 제공을 위한 전해질 물질로 가장 많이 사용되는 이온 젤 및 용액은 직접도와 신뢰성, 균일성이 낮기 때문에, 안정적으로 동작하는 동시에 대면적으로 얇은 두께 증착이 가능한 전해질의 필요성이 재고된다. 본 연구에서는 개시제를 이용한 화학적 증착법으로 합성된 유-무기 하이브리드 고분자 박막에 물분자가 침투하면서 발생하는 양성자의 전도 현상을 이용하여 2D MoS$_2$ 채널 기반의 이온 트랜지스터 소자를 제작하여 그 특성을 분석하였다. 하이브리드 고분자 박막은 합성 과정에서 전구체인 TMA물질의 유량을 조절함에 따라 선형적으로 그 특성을 조절 가능하다. 이러한 특성을 이용하여 본 연구에서 제작한 MoS$_2$ 이온 트랜지스터는 6-비트, 7-비트에서 매우 안정적으로 채널의 전도도를 조절 가능하며, 시냅스 소자에서 요구되는 10이상의 Dynamic range, 높은 선형성을 확보 가능했다. 나아가, 소자 별 균일도가 높을 뿐 아니라 50000번 이상의 게이트 전압 펄스에도 안정적으로 그 특성을 유지하며, Al2O3 버퍼 레이어의 양성자의 트랩 현상을 이용하여 긴 유지 시간 또한 확보가 가능하였다.