저온에서만 작동하는 스핀 트랜지스터의 한계를 극복한 핵심기술 개발
반도체 나노선 이용하여 상온에서 높은 스핀 주입률 달성


최근 국내 연구진이 차세대 반도체 소재로 주목 받고 있는 ‘반도체 나노선’*을 이용하여 상온에서 고효율로 스핀을 주입하고 검출 성능을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 기존에 저온에서만 작동하던 한계를 극복한 상온에서 구동하는 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 한층 높였다고 밝혔다.
*나노선 : 수십 나노미터 수준의 매우 얇은 폭을 가진 선형 구조체. 전기전자와 화학, 바이오 공학 등 첨단과학 분야에 다양하게 활용됨.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 차세대반도체연구소 장준연 소장, 스핀융합연구단 박태언 박사 연구팀은 질화갈륨(GaN) 반도체 나노선을 이용해 상온에서 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀전자가 1 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m)이상을 이동해도 스핀정보의 큰 손실 없이 반도체 채널을 이동할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 또한 연구진은 반도체 나노선에 의해 형성된 서로 다른 결정면의 방향을 이용하여 스핀 주입신호를 제어할 수 있는 획기적 방법을 개발하였다. 연구진은 이 요소기술들을 결합하면 –200 ℃ 이하의 저온에 머물러 있던 스핀 트랜지스터의 동작온도를 상온까지 끌어 올릴 수 있어 실용화 가능성이 한층 높아질 것으로 전망했다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 스핀 트랜지스터의 상용화를 앞당길 매우 중요한 결과로 평가받고 있다. 

<그림 1> 질화갈륨 반도체 나노선에 제작된 스핀주입소자 (a): 본 연구에 사용한 질화갈륨 나노선 기반 스핀 밸브소자와 측정방법을 나타낸 개략도 (b): 질화갈륨 나노선과 강자성체 전극간의 계면을 나타내는 개략적 단면도

기존 실리콘(Si) 반도체가 전자의 전하(-)만을 이용할 수 있었던 데 비해, 스핀 트랜지스터는 전하와 동시에 스핀을 새롭게 이용해 전자소자를 구동하는 신개념 저전력 고성능 기술로, 기존 트랜지스터에 비해 처리속도는 높은 반면 발열량이 낮다. 이 스핀 트랜지스터가 상용화될 경우 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해지므로 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.  2009년 KIST 연구진에 의해 세계 최초로 스핀 트랜지스터 기술을 선보인 이래, 스핀 트랜지스터의 동작온도를 올리기 위한 많은 연구가 수행되었으나 여전히 저온에서만 작동하는 단점으로 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있었다. 상온에서 동작하는 스핀트랜지스터를 개발하기 위해서는 10%이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀이 500 나노미터(nm) 이상의 스핀완화거리를 가져야하는데, 이번 연구진의 연구결과는 상온에서 구동이 가능한 스핀 트랜지스터의 한계를 극복하게 되었다는 의미가 있다. KIST 장준연 박사는 “반도체 스핀 트랜지스터를 개발하는데 가장 중요한 요소인 동작온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것”이라고 전하며, “본 연구결과를 통해 입증하였듯이 저차원 나노소재를 활용한 새로운 기술은 스핀 트랜지스터의 동작온도 뿐만 아니라 소자성능 및 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며, 향후 스핀트로닉스 기술 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것”이라 밝혔다.

<그림 2> 스핀 트랜지스터의 구조와 소스 전극에서 주입된 스핀전자가 드레인 전극으로 이동하는 중 게이트 전압의 영향으로 세차운동을 하는 모습을 나타내는 개략도


본 연구는 미래창조과학부 나노소재개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)’ 6월 2일자(금)에 온라인 게재되었다.

* (논문명) Large spin accumulation and crystallographic dependence of spin transport in single crystal gallium nitride nanowires
        - (제1저자) 한국과학기술연구원 박태언 연구원   
        - (교신저자) 한국과학기술연구원 장준연 책임연구원

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KIST-DGIST 공동연구팀, 이론으로만 제시된 스커미온의 호흡운동 규명
향후 스커미온 기반의 초저전력-초고주파 차세대 통신소자 개발 기대

 

2009년 발견된 소용돌이 모양으로 배열된 스핀들의 구조체인 ‘스커미온 (Skyrmion)’*은 특유의 위상학적 안정성과 작은 크기, 효율적인 움직임 등으로 인해 초고밀도, 고속력 차세대 메모리 소자의 기본 단위로 학계에서 매우 큰 주목을 받고 있다. 최근 국내 연구진이 독특한 스핀 구조체인 스커미온을 사용하여 차세대 초저전력-초고주파 통신 소자에 적용 가능한 기술을 개발했다고 밝혔다.
*스커미온(Skyrmion) : 소용돌이 모양으로 스핀들이 배열되어 형성되는 스핀 구조체

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사팀은 대구경북과학기술원(DGIST, 총장 손상혁) DGIST-LBNL 신물질연구센터 홍정일 센터장(신물질과학전공 교수)팀과의 공동연구를 통해 스커미온 스핀 구조체를 사용하여 기존에 제시된 바 없는 전혀 새로운 형태의 차세대 광대역 통신 소자에 적용 가능한 물리적 현상을 규명했다고 밝혔다. 최근에는 이러한 스커미온이 보이는 독특한 동역학적 움직임인 ‘스커미온 호흡운동(Skyrmion Breathing)’**현상을 사용할 때, 메모리 소자를 넘어 스커미온 기반의 차세대 고주파 발진기 소자의 구현도 가능하다는 이론적인 예측이 있어 왔다. 하지만 스커미온의 매우 작은 크기와 빠른 운동 속도로 인하여, 스커미온 호흡운동을 실제 관측하는 연구는 현재까지 이뤄지지 못했었다.
**스커미온 호흡운동 : 외부의 신호에 반응하여, 스커미온의 크기가 커졌다-작아졌다를 반복하며 새로운 고주파 신호를 발생시키는 독특한 자성 동역학적 움직임.
이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 ‘스커미온의 호흡운동’을 세계 최초로 구현한 것으로, KIST-DGIST 공동연구팀은 우수한 시공간 분해능(Resolving Power)***을 가지는 X-선 촬영기법을 이용하여, 외부 신호에 반응하는 스커미온의 미세 호흡운동을 1 나노 초(ns, 10억분의 1초) 단위로 관측하는데 성공하였다. 뿐만 아니라, 본 연구 과정을 통하여 외부 전류를 이용한 스커미온의 효율적인 생성 기법 또한 개발하였다. 이러한 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해온 메모리 소자로의 적용을 넘어 미래 전자기기 전 분야에 스커미온이 큰 역할을 할 수 있음을 제시하는 매우 중요한 결과라 할 수 있다.
**분해능(分解能) : 현미경 등의 광학기기에서 관찰하는 대상의 세부를 상(像)으로 판별하는 능력. 분리능 또는 해상력이라고 한다.

<그림 1> 외부 전류 자극에 의해 시간에 따라 변하는 스커미온 호흡운동에 대한 모식도

본 연구를 주도한 KIST 우성훈 박사는 “기존에 이론으로만 제시되었던 스커미온 기반의 고효율 차세대 통신소자가 실제 가능하다는 연구 결과이며, 향후 미래 고성능 전자기기들의 효율적인 통신을 위한 차세대 통신소자 개발을 앞당기는데 기여할 것”이라고 말했다. 또한 DGIST 홍정일 센터장은 “본 연구결과가 제시하는 ‘스커미온’을 활용한 새로운 접근법은 전반적인 소자의 작동 메커니즘을 새롭게 제시할 수 있어 기존의 연구 흐름에 시사하는 바가 크다”고 밝혔다. 또한 본 연구 논문에는 KIST 연수생 송경미 박사과정(숙명여자대학교 물리학과) 학생이 공동 1저자로 참여하였다.

 

본 연구는 미래창조과학부 지원으로 KIST 기관고유사업, 창의형 융합연구사업 및  미래소재디스커버리사업으로 수행되었으며, 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 5월 24일(수) 온라인 판에 게재되었다.

 * (논문명) Spin-orbit torque-driven skyrmion dynamics revealed by time-resolved X-ray microscopy

        - (제1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원
        - (공동 제 1저자) 한국과학기술연구원 송경미 학연(숙명여자대학교 나노물리학과 박사과정)
        - (공동 교신저자) 대구경북과학기술원 DGIST-LBNL 신물질연구센터 홍정일 센터장

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이론으로만 제시된 스핀파(Spin wave)를 이용한 자구벽 이동 세계 최초 구현

향후 ‘전력 소모 0’인 신개념 메모리 소자 개발 기대

 

국내 연구진이 초저전력을 넘어선 전력소모 ‘0’인 ‘無 전력’ 메모리소자를 가능케 하는 물리적 현상을 세계 최초로 규명했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 스핀융합연구단 우성훈 박사는 미국 MIT 재료공학과 제프리 비치(Geoffrey Beach) 교수팀과의 약 3년간의 공동연구를 통해, 소자의 스핀성질을 활용하여 전력소모 없이 메모리 소자를 구동할 수 있는 방법을 세계 최초로 구현하였다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 기존에 이론으로만 제시되었던 스핀파(Spin wave)*를 이용한 자구벽(Domain Wall)**의 이동을 세계 최초로 구현한 것으로, 물리학 분야 세계 최고권위의 저널 ‘네이처 피직스(Nature Physics)’ 1월 31일(한국시간)자에 게재되었다.
*스핀파(Spinwave) : 스핀 배열이 흐트러짐에 따라 발생하다고 생각되는 파동.
*자구벽(Magnetic Domain Wall) :  강자성체에 있어서 자구와 자구(磁區)의 경계이다.

 

서로 다른 자성을 띈 자기 구역을 구분하는 ‘자구벽’ 구조는, 높은 이동도와 안정성, 값싼 공정가격 등을 바탕으로 이를 차세대 메모리 소자에 적용하기 위한 연구가 세계적으로 활발하게 진행되어 왔다. 하지만 ‘자구벽’ 구조를 이동시키기 위해 소모되는 임계 전류값이 기존 전자소자와 비교하여 큰 이점을 가지지 못한다는 ‘전력소모’의 한계로 인해, 임계 전류를 낮추기 위한 다각도의 연구가 이루어져 왔으나 여전히 분명한 해결책이 나타나지 않았다. 

 [그림 : 두 개의 자구벽이 부딪힐 때 나타나는 강한 크기의 스핀파에 대한 도식(Schematic)]

본 연구결과는, 기존에 전기적인 방법을 이용하여 자구벽을 이동시켜야 한다는 고정관념을 깬 전혀 새로운 접근 방법의 결과이다. 연구팀은 2개의 자구벽이 부딪혀서 생기는 스핀의 독특한 파동 형태인 ‘스핀파(or 마그논(Magnon))’를 사용하여 전력소모가 전혀 없이도 자구벽의 효율적인 이동이 가능하다는 것을 밝혔다. 즉, 외부전류의 유입없이 자구벽의 유무상태를 바꿀 수 있게 됨으로서, 향후 무전력 소자가 가능해질 것이라는 원리를 세계최초로 규명한 것이다. 또한 스핀파의 효율적인 생성을 위해서 두 개의 자구벽의 충돌을 이용함으로서, 전력 소모 없이도 강한 크기의 스핀파가 생성될 수 있음도 보여주었다.  우성훈 박사는 “스마트기기 하나가 처리해야할 정보의 양이 기하급수적으로 늘어나고 있는 상황에서 초저전력 문제는 굉장히 큰 이슈로 자리 잡고 있다”고 전하며, “이런 상황에서 본 연구결과가 제시하는, 스핀소자를 활용한 새로운 접근법은 향후 차세대 메모리 관련 산업전반에 크게 기여할 수 있을 것이라고 본다”고 밝혔다.


본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업과 미국 C-SPIN 사업의 지원으로 수행되었다. 

 * (논문명) Magnetic Domain Wall Depinning Assisted by Spin Wave Bursts 
          - (제1저자) 한국과학기술연구원 우성훈 선임연구원       
          - (교신저자) MIT Geoffrey Beach 교수

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- 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

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