신호 손실이 없는 스핀-전기 전환효과를 이용한 차세대 전자소자 개발

스핀트로닉스 소자는 전자의 전기적 특성과 자기적 특성을 모두 이용하는 차세대 전자소자로써 실리콘 이후 차세대 반도체 소자분야에서 가장 주목받는 후보이다. 스핀이 시계방향으로 돌면 “0”, 반대방향으로 돌면 “1”로 인식하여 전자 하나가 1비트가 되는 것이인데, 전자의 스핀은 제어하기 어려운 특성이 있어 스핀정보를 전압으로 제어하고 전기신호로 바꾸는 것이 스핀트로닉스 소자의 활용여부를 가늠하는 핵심이다. 현재까지 가장 널리 알려진 방법은 스핀을 홀 전압으로 전환하는 스핀 홀 현상을 이용하는 것이다. 기존에 스핀 홀 현상을 이용한 소자는 스핀정보가 전기신호로 바뀌는 과정에서 전자간에 충돌이 발생하였는데 본 연구에서는 전자간의 충돌 전에 원하는 전기신호로 바꾸고 이를 외부에서 제어하는 방법을 이용하여 전자소자를 구현하였다. 
  
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 구현철·장준연 박사 연구팀은 “전압으로 스핀정보를 제어하고 신호 손실 없이 전기정보로 바꾸어 주는 스핀 홀 전자소자를 개발하였다”고 밝혔다.

 

일반적인 홀 효과는 전기가 흐르는 채널에서 자기력을 가하여 전자의 방향을 측면방향으로 이동시켜 측면전압을 측정하는 방법이다. 스핀 홀 현상은 이와 달리 전자가 갖고 있는 스핀방향에 따라 이동하는 방향이 달라지고 이 전자의 이동을 전압으로 측정하는 방법이다. 

본 연구에서는 이러한 스핀 홀 현상을 이용하여 스핀정보를 전기신호로 바꾸는 것이다. 이 실험에서는 초고속 인듐비소 (InAs) 채널을 사용하여 전자간의 충돌을 거의 억제하고 충돌 전에 스핀 홀 현상을 발생시켜 전압을 측정하였다. 이러한 현상을 탄동(ballistic) 스핀 홀 현상이라고 부르고 있으며 이를 이용하면 신호의 감소를 최소화 할 수 있다.

 

또한 본 연구에서는 이러한 무손실 스핀 홀 현상전압으로 자유자재로 조절하여 트랜지스터나 로직소자로 사용가능함을 보여주었고 스핀의 주입부터 스핀의 제어까지 모두 전기신호를 이용한 세계최초의 실험이다.

본 연구를 기획하고 주도한 KIST 구현철 스핀융합연구단장, 최원영 연구원은 “이번에 보여준 방법은 기존소자에서 항상 존재했던 전자 간에 충돌로 인한 신호 손실을 없애고 초고속 반도체 채널이 가지는 무손실 스핀-전기 전환 현상을 이용하였기 때문에 현재 반도체 소자개발에 가장 핵심요소인 저전력화에 새로운 방법을 제시한 결과이다.”고 밝혔다. 

최근 출범한 KIST 차세대반도체연구소를 이끌고 있는 장준연 소장은 “실리콘 이후 시대에 필요한 저전력 소자의 동작을 보여줌으로써 산업계가 실패가능성의 위험성이 있어 적극적으로 연구할 수 없는 반도체 스핀트로닉스의 상용화 가능성을 보여준 연구결과이다.” 고 밝혔다.

 

본 연구는 현재 진행되고 있는 차세대 전자소자중 가장 강력한 후보인 스핀전자소자분야에서 반도체 채널을 기반으로 한 연구에 새로운 패러다임을 제공하였다. 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 스핀전자소자는 스핀이 가지고 있는 비휘발성을 이용한 자성 금속기반 스핀토크 메모리이다. 하지만 스핀을 로직소자나 시스템 반도체에 이용하기 위해서는 반도체내의 스핀을 제어가 이루어져야 한다. 본 실험은 특히 차세대 반도체 후보인 화합물 반도체 채널과 무손실 스핀 홀 효과를 결합한 연구로 상대적으로 열세인 국내 비메모리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 예상된다.

 

본 연구 그룹은 2009년 세계최초 스핀트랜지스터 기술개발에 이어 무손실 스핀 홀 소자까지 보여줌으로써 반도체 스핀트로닉스 분야의 기술을 선점하였고 관련분야를 주도해 나갈 것으로 기대된다.

본 연구는 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자도약연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 나노분야의 세계최고 학술지인 네이처 나노테크날로지 (Nature Nanotechnology)지에 5월 25(월)일자 온라인판에 게재되었고 관련특허도 확보하였다
 * (논문명) Electrical detection of coherent spin precession using the ballistic intrinsic spin Hall effect
      - (제1저자) (한국과학기술연구원) 최원영 연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 구현철 박사

 

 

<그림자료>

 

 

<그림 1>무손실 스핀 홀 연상에 의한 스핀의 이동. 스핀의 방향은 외부전압을 이용하여 그림과 같이 회전하는 정도를 조절할 수 있다 (위). 스핀의 방향에 따라 스핀의 이동하는 경로가 결정되어 그림과 같은 경로로 이동한다(아래). 이러한 전자의 경로를 이용하여 전압을 측정할 수 있다.

 

 

 

<그림2> 스핀 홀 전자소자의 모습. 신호를 측정하기 위해 와이어를 연결한 소자(좌)와 실제 동작부의 전자현미경사진(우)을 보여주고 있다.

 

 

<그림3> 분자선 결정성장을 이용한 초고속 반도체 층 제작.  분자선 증착장치(좌)를 초진공상태로 만든 상태에서 원하는 물질을 원자 한 개씩 쌓아서 원하는 초고속 반도체 채널 구조(우)를 만든다.

 

 

보도

- 조선비즈 : 국내 연구진, 스핀트로닉스 소자 구현 핵심 기술 개발

- 디지털타임스 : 구현철 KIST 박사팀 `스핀 홀 전자소자` 개발 

- 전자신문 : 전력손실 줄이고, 속도는 높인 스핀 전자소자 개발