초격자 구조 기반 계면 상변화 메모리를 활용한 시냅스 소자 연구

Abstract

현재 폰노이만 구조를 가진 CMOS 기술을 기반으로 한 컴퓨팅은 반도체 산업에 많은 도약을 이루었지만 앞으로 도래할 빅 데이터 시대에 취약한 점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 인간의 뇌를 모방하는 뉴로모픽 컴퓨팅에 대한 연구가 급격히 진행되었다. 그로 인해서 뉴로모픽 컴퓨팅에 최적화 될 수 있는 집적화가 가능하고 에너지 효율이 우수하고 저장과 계산을 동시에 수행할 수 있는 2 단자 소자가 등장하였다. 아날로그 정보를 수집하기 위해서는 인공 시냅스 소자의 시냅스 가중치를 모방하여 점진적인 증가와 감소하는 컨덕턴스 값을 구현하는 것이 필수적이다. 이를 표현하는 것은 long-term potentiation(LTP)와 long-term depression(LTD)로 시냅스 간의 연결을 강화하는 것으로 표현할 수 있다.

이 논문에서는 GeTe/Sb2Te3 기반의 초격자 구조를 가진 계면 상변화 메모리(iPCM)을 통해서 최적화된 전기적 펄스를 인가하여 뉴로모픽 컴퓨팅에 집적되는 인공 시냅스 소자의 특성인 점진적이고 대칭적인 LTP와 LTD를 구현하였다. 게다가 기존의 Ge-Sb-Te 물질 기반의 상변화 메모리(PCM)를 iPCM과 같은 기판에 제작하여 하부전극에 따른 전기적 특성을 분석했다. 그 결과, 초격자 구조를 가진 iPCM이 기존의 melting-quenching 매커니즘을 가잔 PCM보다 69% 이상의 Reset 전류를 감소시킨 것을 확인하였다. 추가로 iPCM 소자의 동작 방식인 Ge 확산, vdW gap 재배열, 열로 인한 void 생성이 공통으로 갖는 Ge 원자들의 Set/Reset 활성화 에너지를 고려한 전압 펄스 설계를 하였다. 최적화된 펄스 인가 결과로 상대적으로 복잡한 펄스를 인가해야하는 PCM에 비해서 iPCM 소자는 LTP/LTD 과정 모두 점진적인 컨덕턴스 변화량을 간단한 펄스 설계로 대칭성 90.6% 값을 구현하였다. 위와 같은 결과를 기반으로 GeTe/Sb2Te3 iPCM은 뉴로모픽 컴퓨팅에 응용될 인공 시냅스 소자로 활용 가능성을 기대할 수 있으며 미래의 비휘발성 메모리 시장의 우수한 성능을 가진 후보 중 하나로 고려될 수 있을 것이다.