반도체에서 원하지 않는 전자 노이즈의 존재는 많은 응용 분야에서 활용될 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 그러나 전자 노이즈는 일반적으로 반도체 장치의 성능에 부정적인 영향을 미치는 요인으로 여겨지기 때문에 이러한 응용은 일반적으로 선호되지 않습니다. 그럼에도 불구하고 일부 연구자와 엔지니어들은 전자 노이즈를 특정 목적을 위해 활용하거나 조작할 수 있는 방법을 찾아내었습니다.
이번 글은 한국 기초과학연구원(IBS) 통합나노구조물리센터의 연구진이 최근 발표한 발견을 바탕으로 전자 노이즈, 특히 반도체에서의 변동과 전자 노이즈를 의도적으로 이용하는 방법에 대해 다룹니다. 연구팀은 적절하게 층을 쌓은 반도체에 바나듐을 도핑하여 전자 노이즈와 그에 의한 변동을 유도하는 방법을 발견하였습니다.
전자 노이즈와 랜덤 텔레그래프 노이즈(RTN)
반도체 기술에서 주요 목표는 일반적으로 노이즈를 최소화하고 제어하여 장치 성능과 신뢰성을 향상시키는 것입니다. 그러나 전자 노이즈의 몇 가지 잠재적인 응용은 여전히 중요한 의미를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 다음과 같은 응용 분야가 있습니다.
- 랜덤 번호 생성: 전자 노이즈, 특히 열 노이즈는 본질적으로 예측할 수 없는 특성을 가지고 있습니다. 이 무작위성은 암호화, 보안 통신 및 시뮬레이션 등 다양한 분야에서 필요한 랜덤 번호를 생성하는 데 사용될 수 있습니다.
- 디더링(Dithering): 디지털 시스템에서 해상도를 향상시키는 기술입니다. 시스템에 제어된 노이즈를 추가함으로써 측정 정확도를 개선하고 양자화 오류를 감소시킬 수 있습니다.
- 확률 공명(Stochastic Resonance): 노이즈가 시스템에 추가되어 약한 신호의 탐지를 개선하는 현상입니다. 이 기술은 신호 처리 및 통신 시스템에 적용될 수 있습니다.
- 결함 특성화: 반도체 재료에서 노이즈는 불순물이나 결함에 의해 발생할 수 있습니다. 노이즈 스펙트럼을 분석하면 이러한 결함을 특성화하고 장치 성능에 미치는 영향을 파악할 수 있습니다.
반도체 장치, 특히 MOSFET(금속산화물반도체장 Field-Effect Transistor) 및 나노스케일 트랜지스터에서 자주 발생하는 전자 노이즈의 한 형태는 랜덤 텔레그래프 노이즈(Random Telegraph Noise, RTN)입니다. RTN은 급격한 전류 변화가 이뤄지는 불규칙적인 현상으로, 반도체 재료 내에서 개별 전하 운반체(전자나 정공)의 포획과 방출에 의해 발생합니다. 이러한 포획과 방출 과정은 트랜지스터의 전류 변동을 일으킵니다.
RTN은 반도체 장치의 성능과 신뢰성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 트랜지스터 크기가 줄어들고 장치 크기가 나노미터 수준에 근접하면서, RTN이 장치 특성에 미치는 영향이 더 뚜렷하게 나타납니다. 예를 들어, 문턱 전압, 서브쓰레시홀드 기울기, 방전 전류 등 장치 특성의 변동은 전자 회로의 정밀도와 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
연구진의 발견
연구팀은 반도체에서 원하지 않는 전자 노이즈, 특히 RTN의 응용 가능성을 발견하였습니다. 이들은 바나듐을 도핑한 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)라는 vdW(반 데르 발스)층상 반도체에 의해 생성되는 거대한 RTN 신호와 자기 변동을 연구했습니다. 연구 결과는 Nature Communications에 발표되었습니다.
텅스텐 디셀레나이드는 텅스텐(W)과 셀레늄(Se) 원자가 특정 결정 격자 구조로 배열된 화합물입니다. 이 화합물은 최근 몇 년 동안 고유한 전자적, 광학적, 기계적 특성 덕분에 많은 주목을 받아온 전이금속 디칼코겐화물(TMDs) 클래스에 속합니다. 텅스텐 디셀레나이드는 2차원 재료로, 원자 두께의 층이 서로 쌓여 있는 구조를 가집니다.
텅스텐 디셀레나이드의 주요 특성은 다음과 같습니다.
- 반도체 특성: 텅스텐 디셀레나이드는 반도체로, 특정 조건에서 전기를 전도할 수 있습니다. 이는 전자 및 광전자 응용 분야에서 유용하게 사용됩니다.
- 층상 구조: 그래핀처럼 여러 층이 쌓여 있어 고유한 물리적 특성과 잠재적인 응용 가능성을 제공합니다.
- 전기 및 광학적 특성: 전도성과 광학적 특성 덕분에 트랜지스터, LED 등 전자 부품에 사용됩니다. 특히, 텅스텐 디셀레나이드는 간접 밴드갭을 갖고 있어 효율적으로 빛을 흡수하고 방출할 수 있습니다.
연구팀은 수직 자기 터널링 접합 장치를 사용하여 바나듐 도핑 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)의 특성을 분석한 결과, 이 재료가 전기적으로 제어 가능한 자기 변동과 RTN 신호를 생성하는 것을 발견했습니다. 수직 장치는 상단과 하단의 그래핀 전극 사이에 바나듐 도핑된 텅스텐 디셀레나이드 층을 샌드위치하여 구성되었습니다. 이 장치는 0.2%의 적은 농도에도 불구하고 높은 진폭의 RTN 신호를 발생시켰습니다.
가장 중요한 발견은 전압 극성을 전환함으로써 RTN의 차단 주파수와 RTN의 이진 자기 상태를 제어할 수 있다는 점입니다. 이는 자기 반도체에서 1/f² 노이즈 분광법을 응용할 가능성을 열어주며, 스핀트로닉스에서 자기 스위칭의 가능성을 제시합니다.
결론
반도체에서의 전자 노이즈는 일반적으로 장치 성능에 부정적인 영향을 미치는 요인으로 간주되지만, 이번 연구에서는 전자 노이즈를 유용하게 활용할 수 있는 새로운 가능성을 보여주었습니다. RTN 신호와 자기 변동을 제어하는 방법은 스핀트로닉스와 같은 고급 기술에 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 향후 반도체 기술 발전에 중요한 기여를 할 것입니다. 이러한 연구 결과는 전자 노이즈를 단순히 억제하는 대신, 그 특성을 제어하고 활용하는 방향으로 나아가게 하는 중요한 전환점을 제시합니다.