차량용 반도체 겨냥 저전력 스핀메모리 원천기술 나왔다

자동차 반도체 이미지. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 차량용 반도체에 적용 가능한 차세대 스핀메모리 기술을 개발했다. 기존 대비 구동 전류를 절반으로 낮추면서도 극한 온도에서 안정적으로 작동하는 소재·소자 기술로 저전력 비휘발성 메모리 시장의 원천기술로 주목된다.

한국연구재단은 김영근 고려대 교수팀이 텅스텐-티타늄 합금 기반으로 스핀 궤도 토크(SOT, Spin-Orbit Torque) 구동 효율을 높이는 신소재·소자 기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 연구 결과는 지난해 2월 국제학술지 '어플라이드 서피스 사이언스'에 게재됐으며 국내 특허 등록과 미국·일본·유럽 특허 출원도 완료했다.

SOT는 면방향 전류를 흘려 스핀전류를 발생시키고 자성층이 가리키는 방향을 제어하는 현상으로 기존 방식(STT)보다 10배 이상 빠르고 전력 효율이 높다. SOT 기반 자기저항메모리(MRAM)는 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리로 차량용 반도체에 적용하려면 넓은 온도 범위에서 낮은 전류로 안정적으로 작동해야 한다.

연구팀은 기존 β-텅스텐 소재의 공정 조건에 따른 결정구조 불안정과 극한 온도 신뢰성 부족 문제를 해결하기 위해 티타늄을 소량 첨가한 베타-텅스텐-티타늄(β-W-Ti) 합금을 설계했다. 울산대와의 협업으로 티타늄 조성에 따른 스핀홀 전도도를 이론적으로 예측하고 실제 박막 소자로 검증했다.

실험 결과 최적 조성(약 11.5%)에서 감쇠형 SOT 효율 0.54를 달성해 기존 β-텅스텐 대비 약 1.8배 향상된 성능을 확인했다. 자성층이 가리키는 방향 전환에 필요한 임계 전류밀도도 절반 수준으로 줄었다. −55℃~150℃ 전 온도 범위에서 안정적인 스위칭 동작과 반복 구동 시험도 통과했다.

김영근 교수는 "합금 설계 단계에서 스핀전류 발생 소재를 최적화해 저전력 구동과 극한 온도 안정성을 동시에 확보했다"며 "차량용 반도체를 포함한 고신뢰성 차세대 메모리 구현의 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

<참고자료>
- doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161671

[조가현 기자 gahyun@donga.com]