양자소재로 초저전력 ‘스핀 반도체’ 만든다

- KIST, 이차원 물질 강자성체-강유전체 적층구조 반도체 소자 최초 개발

이차원물질 적층구조 반도체 소자 제작 이미지 및 전기적 특성. 제작된 이차원물질 강자성체-강유전체 적층구조 소자의 현미경 이미지.(왼쪽) 이차원물질 적층구조 소자에 전압을 걸어주었을 떼 흐르는 전류 측정 결과.(오른쪽)[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 챗GPT 등 인공지능 기술이 다양한 산업 분야에 활용되면서 대용량 정보 처리를 위한 고성능 반도체의 역할이 더욱 커지고 있다. 그중 스핀 메모리는 현재 양산되고 있는 실리콘 반도체보다 낮은 전력으로 대용량 정보를 처리하는데 적합해 차세대 반도체로 주목받는다. 최근 발견된 양자소재를 스핀 메모리에 활용하면 신호비 향상, 전력 감소 등에서 획기적인 성능 향상이 기대되는데, 이를 위해서는 전류나 전압과 같은 전기적 방법으로 양자소재의 물성을 제어하는 기술 개발이 필요한 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 최준우 박사팀과 숭실대학교 물리학과 박세영 교수팀이 공동연구를 통해 양자소재로 초저전력 메모리를 제작할 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 이차원 물질 적층 구조의 양자소재 반도체 소자에 전압을 가하면 전자의 스핀 정보를 효과적으로 제어함으로써 초저전력으로 정보를 읽고 쓰는 것이 가능하다는 것이다.

대표적 양자소재인 이차원 물질은 삼차원의 입체 구조를 갖는 일반 물질과는 달리 평면 형태의 단일 원자층으로 쉽게 분리할 수 있으며, 이에 따라 특수한 양자역학적 특성들이 나타난다. 이번 연구에서는 두 가지 다른 특성을 가진 양자소재를 결합시킨 이차원 강자성체 적층 구조 반도체 소자를 처음 개발했다. 이차원 강자성체(Fe3-xGeTe2)와 이차원 강유전체(In2Se3)의 적층 구조 소자에 5V 정도의 낮은 전압을 걸었을 때, 강자성체의 스핀 방향을 바꿔주는데 필요한 자기장 즉, 보자력(coercivity)을 70% 이상 감소시킬 수 있었다.

최준우 KIST 박사.[KIST 제공]

또한 연구진은 전압을 걸었을 때 일어나는 이차원 강유전체의 구조적 변화가 인접한 이차원 강자성체의 스핀 특성 변화를 이끌어내는 것을 밝혔다. 전압에 따라 이차원 강유전체의 격자가 팽창해 강자성체의 자기이방성이 변화하고 스핀의 방향을 바꿔주는데 필요한 보자력이 크게 감소된 것이다. 이는 양자소재 적층 구조 소자에 매우 작은 전압을 가해주면 3분의 1 수준의 자기장으로도 전자의 스핀 정보 제어가 가능하다는 것으로, 양자소재 기반 초저전력 스핀 메모리 개발을 위한 핵심 기술이다.

KIST 최준우 박사는 “양자소재를 활용한 초저전력 차세대 메모리 핵심 요소 기술을 확보해 최근 흔들리는 반도체 산업에서 기술 우위와 경쟁력을 유지할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com