초저전력 소비하는 신개념 정보전자소재 기술개발

- 높은 전하이동도와 강한 스핀궤도 결합의 신개념 산화물 전자 소재 개발
- 산화물 전자소자-스핀트로닉스 융합으로 초저전력 정보소자 개발에 기여

 

  정보 처리 및 저장 기기의 에너지 소비량이 폭발적으로 증가함에 따라 이를 해결하기 위한 새로운 전자 소재, 더 나아가서는 새로운 동작원리에 기반을 둔 신개념 정보 소자의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 정보처리기기에 사용되는 고성능 스핀(*용어 설명) 트랜지스터를 제작하는데 필요한 전자소재를 새로운 방식으로 개발하는데 성공했다. 

 

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 전자재료연구단 이수연 박사팀(제1저자 진현우 연구원)은 건국대, 가톨릭대, 서울대, 美 켄터키주립대와 공동연구를 통해 대표적 부도체 산화물인 스트론튬-타이타늄 산화물(SrTiO3)에 금속 원소인 나이오븀(Nb)을 주입(도핑)하여, 이 신개념 소재의 전기적 특성에 대한 연구를 진행하여, 기존 소재와는 달리 높은 전하 이동도(*용어 설명)와 함께 강한 스핀-궤도 결합(*용어 설명)을 가지고 있음을 규명하여 초저전력으로 제어가 용이한 산화물 기반 고성능 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 앞당겼다. 

 

  기존의 트랜지스터에서 전하를 제어하기 위해 실리콘과 같은 반도체 소재가 필수적이었으나, 스핀 트랜지스터에서는 스핀의 분포 및 흐름을 제어하기 위한 소재의 개발이 필요하다. 스핀 트랜지스터 소재의 필요조건을 정리하면, (1) 높은 전하이동도, (2) 강한 스핀-궤도 결합이다. 첫 번째로 저항이 작아 스핀 정보를 잃지 않고 먼 거리까지 전달할 수 있도록 전하의 이동도가 커야하고, 두 번째로 스핀의 운동을 제어하기가 용이해야 한다. 스핀의 운동을 제어하는 방법으로 스핀-궤도 결합(Spin-orbit coupling, *용어 설명)을 이용하는데, 어떤 물질에 걸린 전압을 조정하여 전자의 운동을 제어하고, 이를 통해 다시 스핀 운동의 제어가 가능하다는 원리이다. 지금까지는 화합물 반도체(갈륨-비소 화합물(GaAs))와 같은 소자가 가장 활발히 연구되고 있었으나, 매우 높은 전하 이동도를 가지고 있는 반면 스핀-궤도 결합이 약하다는 단점을 가지고 있었다. 이수연 박사팀이 개발한 이 소재는 두 필요조건을 동시에 상당히 높은 수준으로 충족시켰다.

 

  연구팀이 개발한 산화물 전자소재는 매우 다양한 전기적-자기적 특성을 가지는 산화물 재료의 기초 소재이다. 다시 말해, 개발된 소재는 다른 특성을 지닌 다양한 산화물 전자 소재와 결합하여 새롭고 우수한 성능을 가진 정보 소자를 개발할 수 있는 가능성을 넓힐 수 있다. 이수연 박사는 “본 연구 결과는 스핀트로닉스 분야에서 고성능 스핀 트랜지스터의 개발을 한 단계 앞당길 수 있을 것으로 기대한다. 또한 산화물 전자 소자 분야에서 다양한 기능성 산화물과의 접합을 통한 새로운 물리 현상을 관찰할 수 있는 토대를 제공하고, 새로운 동작 원리를 가진 신개념 정보 소자의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

  신개념 정보 소자 개발 분야에서는 전자의 고유 자기적 특성인 스핀(Spin)을 정보 매개체로 이용하는 스핀트로닉스(스핀전자공학, Spintronics) 소자가 가장 가능성 높은 기술로 평가되고 있다. 스핀트로닉스 기술은 정보 저장 기술에 있어서는 하드 디스크 드라이브의 읽기 장치, 자성 메모리 (MRAM, magnetic random access memory) 등과 같이 이미 현실 생활에서 활발히 활용되고 있으며, 정보 처리를 위한 트랜지스터 및 논리-연산 소자에도 활용 범위를 넓히기 위한 연구가 매우 활발히 진행 중이다.

 

  본 연구는 미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유 Flagship/미래원천연구사업으로 수행되었으며, 10월 5일(수요일)자 Scientific Reports(IF: 5.228)에 온라인 게재되었다.
 
  (논문명) “Large linear magnetoresistance in heavily-doped Nb:SrTiO3

               epitaxial thin films” (DOI: 10.1038/srep34295)
    - (제 1저자) 한국과학기술연구원 진현우 연구원
    - (교신저자) 한국과학기술연구원 이수연 박사