연세대 조만호 교수팀, STE 한계 돌파를 통한 스핀트로닉 소자 신구조 개발

연세대학교 물리학과 조만호 교수 연구팀은 강자성체와 위상 절연체의 접합 계면을 중금속을 통해 제어해 기존 스핀트로닉 테라헤르츠 방출(spintronic terahertz emission, 이하 STE) 한계를 뛰어넘는 강한 테라헤르츠파를 관측하고 스핀-전하 변환 향상의 원인을 규명함으로써 차세대 스핀트로닉 소자에 적용 가능한 새로운 구조를 확보했다.

기존 반도체 소자는 크기 축소가 꾸준히 이뤄지면서 성능 지표의 한계에 도달했고, 현존 기술을 대체할 수 있는 신기술 혹은 차세대 메모리로서 스핀트로닉 소자에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

우수한 스핀-전하 변환 효율을 가지고 있는 위상 물질은 고성능 자기저항메모리(MRAM) 소자 개발에 중요한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있어 최근 많은 주목을 받아 왔다.

위상 물질 중 비스무트 안티몬 합금(Bi1-xSbx)은 조성에 따라 위상 절연체부터 위상 반금속까지 다양한 상이 발현되며, 뛰어난 스핀-전하 상호 변환이 가능하다.

이에 기반해, 본 연구팀은 선행 연구를 통해 Bi1-xSbx와 강자성체인 코발트(Co)의 이종 접합 구조에서 강력한 테라헤르츠파가 발생한다는 것을 확인했고, 이를 더욱 확장해 비스무트, 안티모니, 플래티넘 등 다양한 중금속을 이용해 Bi1-xSbx와 강자성체의 계면을 제어해 스핀-전하 변환 현상의 향상 가능성을 체계적으로 조사했다.

그 결과, Bi1-xSbx와 강자성체 사이의 계면을 비스무트를 통해 제어할 경우, 지금까지 보고됐던 것보다 월등하게 큰 테라헤르츠파의 발광성을 확인했고, 이를 통해 기존 보고된 강자성체와 Bi1-xSbx 이종 접합 구조보다 약 171％ 향상된 스핀-전하 변환이 발생됨을 확인했다.

또한 연세대 조만호 교수팀은 관련 연구에서 측정되는 테라헤르츠 발광 신호 중 순수한 스핀-전하 변환에 의한 신호만을 분리해 내는 정교한 방법을 고안해 냈을 뿐 아니라, 스핀-전하 변환의 향상을 야기하는 근본 원인인 계면 특성을 체계적으로 분석하는 방법론을 함께 제시했다.

이를 통해 강자성체와 비스무트, Bi1-xSbx의 3층 접합 구조에서 현존하는 STE보다 훨씬 큰 스핀트로닉 테라헤르츠파를 관측하고 스핀전류에서 전기전류로 변환되는 관계를 통해 그 원인을 엄밀하게 규명함으로써, 차세대 스핀트로닉 소자에 적용 가능한 새로운 구조를 확보하는 데 성공했다.

조만호 연세대 교수는 "본 연구는 압도적인 스핀-전하 변환 효율을 가지는 소재 및 구조를 확보한 것과 동시에 위상 절연체를 이용한 스핀-전하 변화 효율 향상의 핵심 요소인 계면 제어 원인을 규명함으로써, 앞으로의 스핀트로닉스 연구 방향을 제시했다"고 연구의 의의를 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지능형반도체선도기술개발사업 및 선도연구센터지원사업(SRC)과 한국전자통신연구원의 지원을 받아 수행됐으며, 연세대 물리학과 노승원 학생이 제1저자로, 연세대 물리학과 조만호 교수가 제1교신저자로, 고등광기술연구소(APRI) 강철 박사가 제2교신저자로 참여했다.

연구 결과는 물리 및 재료과학 분야의 권위 있는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF 19.924)'에 5월 12일 온라인 게재됐다.

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출처 : 연세대학교 보도자료