스핀 트랜지스터의 상온 동작을 지원하는 신기술

상온에서도 높은 스핀을 주입

KIST 차세대반도체연구소의 장준연 소장과 스핀융합연구단의 박태언 박사 연구팀이 GaN(질화갈륨) 반도체 나노선을 활용해 상온에서 10% 이상의 높은 스핀을 주입하는 동시에 주입된 스핀 전자가 1㎛ 이상을 이동해도 스핀 정보의 손실 없이 반도체 채널이 이동할 수 있음을 실험으로 증명해냈다.

이에 더해 연구진은 반도체 나노선에 의해 형성된 서로 다른 결정면의 방향을 활용해 스핀 주입 신호를 제어하는 방법을 개발하는 데도 성공했다.

한층 더 높아진 실용화 가능성

연구진은 이 같은 요소 기술들을 결합할 시 -200℃ 이하의 저온에 머물러 있던 스핀 트랜지스터의 동작 온도를 상온까지 끌어 올릴 수 있어 실용화 가능성이 증가할 것이라고 내다봤다. 이 같은 연구 결과는 그동안 학계에서 주목해 온 스핀 트랜지스터의 상용화를 앞당길 수 있는 중요한 결과로 주목받고 있다.

신개념, 저전력 기술인 스핀 트랜지스터

기존의 Si(실리콘) 반도체는 전자의 전하(-)만을 활용할 수 있었던 데 반해, 스핀 트랜지스터는 전하와 동시에 스핀을 새롭게 활용해 전자 소자를 구동시킬 수 있다. 이 때문에 스핀 트랜지스터는 기존의 트랜지스터에 비해 높은 처리 속도를 구현하는 반면에 낮은 발열량을 발생시킨다.

만약 이 같은 스핀 트랜지스터가 상용화된다면, 기존 반도체의 한계를 극복한 비휘발성의 초고속, 초전력 전자 소자 개발이 가능해지므로 선진국 등에서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. KIST의 연구진은 2009년에 세계 최초로 스핀 트랜지스터 기술을 선보인 이래로 스핀 트랜지스터의 동작 온도를 높이기 위해 다양한 연구를 진행해 왔다. 하지만 저온에서만 작동 가능한 단점으로 인해 상용화가 원활히 이뤄지지 못했는데, 상온에서 동작하는 스핀 트랜지스터를 개발하기 위해서는 10% 이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀이 500nm 이상의 스핀완화거리를 지녀야 한다는 조건이 충족되어야 한다.

이 같은 점들을 고려했을 때 연구진의 이번 연구 결과는 상온에서 구동 가능한 스핀 트랜지스터의 한계를 극복하는 데 성공했다는 의미를 지니고 있다고 할 수 있다. 이와 관련해 KIST의 장준연 박사는 “이번 연구가 반도체 스핀 트랜지스터를 개발하는 데 있어서 가장 중요한 요소인 동작 온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”라면서 “본 연구 결과를 통해 입증했듯 저차원 나노 소재를 활용한 새로운 기술이 스핀 트랜지스터의 동작 온도뿐만 아니라 소자 성능 및 집적도를 극적으로 높일 것으로 예상되며, 향후 스핀트로닉스 기술 발전에도 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.

자료 제공 : KIST