층상 반도체가 메모리 저장의 다음 도약이 될 수 있다

반도체는 거의 모든 현대 전자 기기의 기본 구성 요소이며, 스마트폰과 컴퓨터부터 전기 자동차, AI 시스템, 산업 장비에 이르기까지 모든 것을 구동합니다.

이들은 칩이라고도 불리는 집적 회로(IC)의 핵심 기술로, 더 빠르고 작으며 효율적인 장치를 만들 수 있게 합니다.

반도체는 전도체와 절연체 사이의 전기 전도성을 가진 물질이며, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨 비소(GaAs) 등이 그 예시입니다.

반도체는 주변 온도나 적용되는 자기장과 같은 요인에 따라 전류가 흐르도록 하며, 도핑이라고 하는 불순물 첨가 과정을 통해 전도성을 조절할 수 있습니다.

IC의 기반일 뿐만 아니라, 반도체는 전자 회로에서 스위칭 및 증폭에 사용되는 트랜지스터, 햇빛을 전기로 변환하는 태양광 패널, 그리고 전류를 한 방향으로 흐르게 하는 다이오드 등 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

층상 반도체 구조로의 전환

반도체가 지속적으로 발전함에 따라, 유기-무기 하이브리드 반도체는 높은 태양전지 효율과 발광 다이오드(LED) 응용 분야 때문에 큰 관심을 받고 있습니다. 이들은 유기 물질의 유연성과 비용 효율성을 무기 물질의 전자적 특성과 결합한 하나의 물질입니다.

유기와 무기 성분이 구분된 층을 갖는 이러한 층상 반도체는 독특한 특성과 기능을 위해 배열될 수 있으며, 고성능 광전자 장치에 사용되는 차세대 소재를 제공합니다.

층상 반도체 분야에서, 몇 년 전 호주 국립대학 연구진은 빛-물질 하이브리드 입자인 엑시톤-폴라리톤을 기반으로 초저전력 전자를 구현하기 위한 새로운 ‘샌드위치식’ 제작 공정을 선보였습니다.

여기서는 원자 한 층 두께의 반도체를 두 개의 거울 사이에 배치하여, 평행 거울 사이에서 반사되는 빛과 섞인 엑시톤(전자와 정공이 결합된 상태)의 강인하고 무소산, 장거리 전파를 구현했습니다.

‘샌드위치식’ 제작 공정은 고품질 광학 마이크로공진기용으로 원자 수준 얇은 반도체의 손상을 최소화하면서 엑시톤과 광자 간의 상호작용을 극대화했습니다.

여기서 핵심은 원자 수준 얇은 물질 자체가 아니라 마이크로공진기의 구조였습니다. 하부 거울을 먼저 놓고, 그 위에 반도체 층을 쌓은 뒤 최상단에 거울을 올리는 방식으로 구성했으며, 최상단 구조는 원자 얇은 반도체를 손상시키지 않고 엑시톤 특성을 유지하기 위해 별도로 제작되었습니다.

이 연구가 초박막 반도체의 빛-물질 상호작용에 초점을 맞춘 반면, 다른 연구팀들은 하이브리드 소재를 메모리 저장 방향으로 추진하고 있습니다.

하이브리드 ZnTe 반도체가 고급 메모리 기능을 공개

층상 반도체 중에서도 β‑ZnTe(en)₀.₅는 뛰어난 구조적 질서와 대부분보다 긴 안정성 때문에 특별한 주목을 받고 있습니다.

여기서는 유기 물질 층을 도입함으로써 광학적 특성을 조절하고, 밴드 구조를 변형하며, 엑시톤 결합 에너지를 증가시킬 수 있습니다.

워싱턴 주립대학과 노스캐롤라이나 대학교 샬럿 캠퍼스 연구진은 압력을 가하면 형태가 급격히 변하는 층상 물질¹을 개발했으며, 이는 적은 에너지로 더 많은 데이터를 저장하는 데 컴퓨터를 돕는 능력을 보여줍니다.

이 물질은 하이브리드 아연 텔루라이드(ZnTe)를 기반으로 하며, 연구에서 압축될 때 놀라운 구조 변화를 겪는 것으로 나타났습니다.

아연 텔루라이드는 약 2.26 eV의 직접 밴드갭을 가진 반도체 물질로, 직접 밴드갭 덕분에 효율적인 빛 방출 및 흡수가 가능해 태양전지, 광검출기, LED는 물론 리튬 이온 배터리, 레이저 다이오드, 마이크로파 발생기, 고속 전자 장치 등에 적합합니다.

미국 에너지부의 지원을 받은 최신 연구에서 하이브리드 ZnTe 기반 물질이 겪은 구조 변화는 이를 상변화 메모리(PCM)의 유망한 후보로 만들었습니다.

PCM은 기존 장치의 메모리와는 다르게 작동하는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(RAM)의 일종으로, 초고속이며 전원이 지속적으로 공급되지 않아도 장기간 데이터를 보관할 수 있습니다.

이 메모리 유형은 물질이 비정질 상태와 결정질 상태 사이에서 겪는 상 변화를 활용하며, 이러한 상 변화는 물질의 전기 저항을 바꾸어 데이터를 저장하고 읽어낼 수 있게 합니다.

연구에 따르면, 중간 압력에서 상 변화를 겪는 In2Se3(인듐(III) 셀레나이드)처럼, ZnTe(en)₀.₅의 여러 상도 메모리 장치에 활용될 수 있습니다.

In2Se3와 인듐 셀레나이드(InSe)는 다양한 결정 구조와 상을 나타내는 층상 반도체 물질입니다.

작년 말의 흥미로운 연구에서는 결정체를 유리로 전환하는 에너지 효율적인 방법을 발견했으며, 이는 PCM을 사용하는 장치에 매우 효율적인 솔루션을 제시합니다.

현재 PCM은 800°C 이상으로 레이저나 전기 펄스를 이용해 결정을 가열한 뒤 급속 냉각하는 매우 에너지 집약적인 공정에 의존합니다. IISc, UPenn, MIT 연구진이 수행한 연구에 따르면, 인듐 셀레나이드는 내부 ‘자체 충격’을 통해 고온이 필요 없음을 밝혀냈습니다.

여기서 전류가 얇은 층상 인듐 셀레나이드 구조에 가해지면, 층이 서로 다른 방향으로 미끄러져 특정 패턴으로 원자가 정렬된 영역과 경계가 형성되며, 이는 판 구조와 유사하고 충돌 시 작은 기계적·전기적 충격을 발생시킵니다.

이러한 충격 각각이 결정 구조를 교란시켜 작은 부분이 유리로 변하고, 결국 전체 물질에 퍼집니다.

\”PCM 연구는 적합한 소재를 찾는 데 어려움이 있어 둔화됐지만, 이제 인듐 셀레나이드의 2D 구조와 독특한 특성이 결합되어 충격을 통한 초저에너지 비정질화 경로를 만들었다\”고 공동 저자 파반 누칼라가 말했으며, \”우리는 이 장치를 CMOS 플랫폼에 통합하려고 추진하고 있다\”고 덧붙였습니다.

유기 반도체가 그래핀과 실리콘의 장점을 결합하는지 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

극적인 압력 유도 구조 변형

최신 연구에서 제작된 물질은 β‑ZnTe(en)₀.₅라고 불리며, 아연 텔루라이드의 교대 층으로 구성됩니다.

두 겹의 단일층 두께 ZnTe 교대 층과 함께, 팀은 유기 분자로 에틸렌다이아민(en=C2N2H8)을 사용했습니다. 이는 화학 제품 생산의 빌딩 블록으로 사용되는 화합물이며, 접촉 감작제로서 국소 및 일반적인 반응을 모두 일으킬 수 있습니다.

물질의 구조를 샌드위치에 비유하며, WSU 물리학 교수이자 연구 공동 저자인 매트 맥클러스키는 다음과 같이 언급했습니다:

세라믹과 플라스틱 층을 반복해서 쌓는다고 상상해 보세요. 압력을 가하면 부드러운 부분이 단단한 부분보다 더 많이 붕괴합니다.

압력을 가하기 위해, 그들은 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)을 사용했으며, 이는 재료 과학 및 공학 실험에서 극한 조건 하의 물질을 연구하기 위한 고압 장치입니다. DAC는 작은 샘플을 극한 압력으로 압축할 수 있게 합니다.

따라서 팀은 DAC를 이용해 극한 압력을 가한 뒤 X-레이 시스템으로 물질의 변화를 관찰했습니다.

X-레이 회절(XRD) 시스템은 실제로 연구를 가능하게 했으며, 머독 자선 신탁의 도움으로 몇 년 전 100만 달러 이상에 구매되었습니다.

XRD는 X-레이를 사용해 물질의 결정 구조와 화학 조성 등 구조 정보를 밝혀내는 실험실 기술이며, 이 강력한 방법을 통해 연구자들은 물질 내부의 미세한 구조 변화를 실시간으로 관찰할 수 있었습니다.

이러한 실험은 보통 캘리포니아 주 버클리 국립 연구소의 고급 광원(Advanced Light Source)과 같은 국가 시설에서 진행되어 시간과 비용이 많이 들지만, 특수 장비 덕분에 연구진은 워싱턴 주립대학 풀먼 캠퍼스에서 직접 모든 과정을 수행할 수 있었으며, 이는 ‘훨씬 더 흥미로운’ 요소가 되었습니다.

캠퍼스 내에서 이러한 고압 실험을 수행할 수 있었던 덕분에 우리는 상황을 깊이 파악할 수 있었으며, 물질이 단순히 압축된 것이 아니라 내부 구조가 크게 변한다는 것을 발견했습니다.

– 맥클러스키

관찰 결과, 물질은 2.1 및 3.3 기가파스칼(GPa)의 낮은 압력에서 두 차례의 상 변화를 겪었으며, 두 경우 모두 구조 변화가 극적이었고 최대 8%의 수축을 보였습니다.

XRD에서 관찰된 변화는 이후 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광법으로 검증되었으며, 이 기술은 고체, 액체, 기체의 방출 또는 흡수 적외선 스펙트럼을 얻는 데 사용됩니다. 또한 두 상 전이 압력에서 진동 모드의 변화를 보여주었습니다.

잠재적인 미래 응용 분야

물질의 상 전이는 압력이나 온도와 같은 외부 조건 변화에 따라 원자 수준에서 구조가 변하는 것을 의미합니다. 이 연구에서는 두 고체 상태 사이에서 원자들이 더 밀집된 배열로 재배열되는 변화를 관찰했습니다.

이러한 전이는 물질의 빛 방출 방식이나 전기 전도성 등 특정 특성을 크게 변화시킬 수 있습니다.

다양한 구조적 상은 일반적으로 서로 다른 광학 및 전기적 특성을 가지므로, 디지털 정보를 인코딩하는 데 유용하며, 이는 상변화 메모리의 기반이 됩니다.

β‑ZnTe(en)₀.₅의 전이는 연구에 따르면 순수 아연 텔루라이드에서 보고된 가장 낮은 상 변이보다 훨씬 낮은 압력에서 발생했습니다.

대부분의 이런 물질은 구조 변화를 일으키기 위해 거대한 압력이 필요하지만, 이 물질은 순수 아연 텔루라이드에서 보통 보는 압력의 10분의 1 정도에서 변화를 시작했습니다. 이것이 이 물질을 흥미롭게 만드는 이유이며, 훨씬 낮은 압력에서도 큰 효과를 보여주기 때문입니다.

하지만 이것이 전부는 아닙니다. 연구 결과는 이 물질이 높은 이방성 압력 반응을 보이며, 이는 방향에 따라 특성이 크게 달라지고 유기층이 압력 변화에 매우 민감함을 의미합니다.

재료가 압축되는 방향에 따라 동작이 변하는 방향 민감성과 층상 구조를 결합하면 물질의 조정 가능성이 더욱 높아져, 빛을 이용해 정보를 이동 및 저장하는 광자학과 같은 추가 분야에도 활용될 수 있습니다.

이 물질은 실제로 자외선을 방출하며, 연구자들은 상에 따라 발광 색이 변할 수 있다고 생각합니다. 이러한 특성은 β‑ZnTe(en)₀.₅를 광섬유 또는 광컴퓨팅에 유용하게 만들 수 있습니다.

상업용 메모리 소재로서 큰 잠재력을 보여주지만, β‑ZnTe(en)₀.₅는 아직 개발 초기 단계이며, 밀러는 다음과 같이 말합니다:

우리는 아직 이 하이브리드 소재가 할 수 있는 일을 이해하기 시작한 단계입니다.

팀의 다음 단계는 물질이 온도 변화에 어떻게 반응하는지 파악하고, 열과 압력이 동시에 가해질 때 어떤 일이 일어나는지 조사하는 것입니다. 이를 통해 연구진은 β‑ZnTe(en)₀.₅의 거동과 가능성에 대한 보다 완전한 지도를 구축할 수 있습니다.

반도체 투자

반도체 분야에서 시가총액 2.8조 달러에 달하는 NVIDIA Corporation (NVDA )가 가장 큰 기업으로 AI와 GPU 기술을 주도하고 있습니다. 이 외에도 시가총액 900억 달러 규모의 기존 칩 제조업체 Intel Corporation (INTC )는 AI와 고급 메모리 분야로 확장하고 있으며, 시가총액 1,600억 달러인 Advanced Micro Devices (AMD )는 신흥 반도체 기술을 탐구하고 있습니다.

하지만 오늘은 메모리와 스토리지를 전문으로 하며 상변화 메모리(PCM)까지 다루는 Micron (MU )에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 현대 컴퓨팅에서 메모리와 스토리지가 병목 현상이 되고 있는 상황에서, Micron은 이 문제에 직접 도전하는 몇 안 되는 기업 중 하나로 부각됩니다. AI, 클라우드 인프라, 엣지 디바이스에 대한 수요가 급증함에 따라, DRAM과 NAND 분야에서의 리더십과 상변화 메모리와 같은 차세대 기술에 대한 작업은 Micron을 반도체 분야에서 주목해야 할 핵심 기업으로 만들고 있습니다.

Micron Technology (MU )

이 메모리 및 스토리지 솔루션 제공업체는 고성능 DRAM, NAND, NOR 제품 포트폴리오를 제공합니다.

이 회사는 데이터 센터, 그래픽, PC 및 네트워킹 시장을 위한 솔루션을 제공하는 Compute and Networking Business Unit(CNBU), 스마트폰 및 기타 모바일 디바이스 시장을 담당하는 Mobile Business Unit(MBU), 산업, 자동차 및 소비자 임베디드 시장을 서비스하는 Embedded Business Unit(EBU), 그리고 SSD 및 부품 수준 스토리지 솔루션을 포함하는 Storage Business Unit(SBU)으로 운영됩니다.

이 회사는 NVIDIA와 협력하여 AI 서버용 HBM3E 및 SOCAMM 메모리 솔루션을 전 세계에 최초로 출하한 기업입니다.

Micron은 시가총액 902억 달러이며 주가는 $79.55로 연초 대비 약 4% 하락했습니다. EPS(TTM)는 4.14, P/E(TTM)는 19.51이며, 배당 수익률은 0.57%에 불과합니다.

3월에 이 회사는 2025 회계연도 2분기 실적을 발표했으며, 2025년 2월 27일에 종료된 해당 분기의 매출은 80억 5천만 달러로 전 분기의 87억 1천만 달러보다 감소했지만 전년 동기 대비 58억 2천만 달러보다 증가했습니다.

GAAP 순이익은 15억 8천만 달러(주당 희석 기준 $1.41)였으며, Non-GAAP 순이익은 17억 8천만 달러(주당 $1.56)였습니다. 해당 기간 영업 현금 흐름은 39억 4천만 달러였습니다.

“Micron은 회계연도 2분기 EPS가 가이던스를 초과했으며 데이터 센터 매출이 전년 대비 3배 증가했다”라고 CEO 산제이 메흐로트라가 말했으며, 이는 1-감마 DRAM 노드 출시를 통해 회사의 기술 리더십을 확장한 것이라고 언급했습니다.

3분기에는 “데이터 센터와 소비자 시장 모두에서 DRAM 및 NAND 수요가 성장함에 따라 사상 최고 분기 매출을 기록할 것”이라고 Micron은 기대하고 있습니다.

Micron Technology 최신 소식

결론

현대 전자 기기의 기반인 반도체는 기술 발전에 필수적이며, 반도체 기술 혁신을 통해 스마트폰부터 AI 시스템에 이르기까지 새로운 제품과 향상된 제품, 그리고 다양한 분야에서의 돌파구가 이루어졌습니다.

이러한 배경에서 새로운 연구는 기존 실리콘 기반 구조를 넘어 층상 유기‑무기 하이브리드로 확장함으로써 큰 변화를 나타냅니다. 이 물질이 낮은 압력에서도 상 변화를 겪으며 구조를 조정할 수 있는 독특한 능력은 광전자 분야의 새로운 경계를 열며, β‑ZnTe(en)₀.₅를 에너지 효율적이고 고성능 메모리 기술의 유망한 후보로 만들고 있습니다.

다양한 온도 조건에서의 추가 연구는 이 물질을 광컴퓨팅, 광섬유, 저전력 데이터 저장 등 완전히 새로운 응용 분야로 확장시킬 수 있으며, 이는 진행 중인 반도체 혁명의 흥미로운 장을 열게 됩니다.

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참조 연구:

1. Miller, J. C., Wang, Y., Zhang, Y., Schmedake, T. A., & McCluskey, M. D. (2025). Phase transitions of β‑ZnTe(en)₀.₅ under hydrostatic pressure. AIP Advances, 15(4), 045308. https://doi.org/10.1063/5.0266352