스핀트로닉스기술 한석희 신경호 장준연 구현철 엄종화 서 반도체기반전자소자는그동안급속한기술적진보를통해오늘날의정보화시대를주도해오고있다. 하지만이러한반도체기반전자소자기술은물리적현상및나노공정에있어서근본적인기술적한계에접근하고있으며따라서이러한한계를극복할수있는새로운차세대전자소자기술의출현이강하게요구되고있다. 이러한요구에따라등장한것이바로스핀트로닉스 (Spintronics) 기술이다. 기존의반도체기반전자소자기술은전자의두가지특성인전하와스핀중에서양자역학적인스핀을고려하지않고전하만을전기장으로제어하는데반해스핀트로닉스기술은전자의전하와스핀을동시에제어하는기술로서이기술을이용한스핀전자소자의개발을통해기존전자소자의기술적한계를극복할수있을것으로전망되고있다. 스핀전자소자는스핀의고유특성인비휘발성 (Non-volatility) 뿐만아니라초고속, 초저전력및초고주파등의특성을가지고있기때문에차세대전자소자로서의가능성이매우높은것으로판단된다. 특히스핀트로닉스기술은 2000년초미국의국가과학기술자문회의기술위원회가차기산업혁명을선도할수있는국가나노기술개발을제안하면서나노기술의가장대표적인소자의응용예로소개됨으로써더욱주목을받기시작하였으며현재 저자약력한석희박사는서울대학교금속공학과공학박사 (1993) 로서현재한국과학기술연구원나노소자연구센터책임연구원으로재직중이다. (sukhan@kist.re.kr) 신경호박사는 University of Pennsylvania 공학박사 (1992) 로서현재한국과학기술연구원나노소자연구센터책임연구원으로재직중이다. (kshin@kist.re.kr) 장준연박사는연세대학교재료공학과공학박사 (1998) 로서현재한국과학기술연구원나노소자연구센터책임연구원으로재직중이다. (presto@kist.re.kr) 구현철박사는 University of Maryland ( 미국 ) 전자공학과공학박사 (2002) 로서삼성전자차세대연구팀 (2003-2004) 을거쳐현재한국과학기술연구원나노소자연구센터선임연구원으로재직중이다. (hckoo@kist.re.kr) 엄종화교수는 Northwestern University 물리학과이학박사 (1998) 로서현재세종대학교교수및한국과학기술연구원겸직연구원으로재직중이다. (eom@sejong.ac.kr) 론 하나의학문분야로발전되어전세계적으로매우활발한연구가이루어지고있다. 스핀트로닉스기술은금속과반도체를기반으로하는기술로각각대별할수있다. 금속을기반으로한스핀트로닉스는거대자기저항및자기터널 (Tunnel Magnetoresistance, TMR) 현상을이용하여 HDD의재생헤드로응용되고있으며차세대비휘발성메모리소자인자기램 (Magnetic Random Access Memory, MRAM) 의개발에도응용되고있다. 최근에는 Spin Transfer Torque 기술을이용한스핀소자기술에대한연구가매우활발히진행되고있으며전류구동형자화스위칭 (Current Induced Magnetization Switching, CIMS) 기술의경우자기셀의크기가작아질수록정보기록이용이해짐으로써고밀도의 MRAM이가능할것으로전망되고있다. 또한 Spin Torque 기술을이용하여 Nano oscillator 등 GHz 대역의고주파통신소자로서응용하고자하는연구가진행되고있다. 반면반도체를기반으로하는스핀트로닉스는자성체 / 반도체하이브리드스핀소자기술과자성반도체 (Magnetic Semiconductor) 기술분야로나눌수있으며이기술을이용하여스핀전계효과트랜지스터 (Spin Field Effect Transistor, Spin FET), 스핀발광다이오드 (Spin Light Emitting Diode, Spin LED), 스핀공명터널링다이오드 (Spin Resonant Tunneling Diode, Spin RTD) 등과같이전하, 스핀및광기능을통합한새로운스핀양자전자소자를구현하고자하는연구가활발히이루어지고있다. 국내에서도이에대한연구가매우활발하게이루어지고있으며특히 KIST에서는스핀트로닉스기술분야가중점연구분야로선정되어현재 신개념스핀전자소자기술개발 이라는과제로연구를수행하고있다. 따라서여기에서는스핀트로닉스기술중에서현재 KIST가중점적으로연구하고있는분야를중심으로기술에대한소개와연구개발현황및향후전망등에대해기술하고자한다. MRAM 기술 비휘발성 이라는특성을가지면서도, 기존의반도체메모리인 DRAM과 SRAM에버금가는메모리성능을가지는차세 물리학과첨단기술 June 2006 17
표 1. MRAM 과여러가지경합메모리의성능비교. [2] Attributes Memory Cell Type SRAM FLASH MRAM FeRAM PC-RAM Memory Action CMOS Latch Floating Gate MTJ Atomic Displ. Phase Change Cell Size @90nm( μm 2 ) 0.97 0.23 0.29 0.42 0.4 Cell Feature Size (f 2 ) 90 (9X10) 16 (4X4) 24 (6X4) 30 (5X6) 30(?) READ (Destructive) No No No Yes No READ Access Time 3ns 15ns 10ns 20ns 20ns READ Endurance Unlimited Unlimited Unlimited 10 12 Unlimited WRITE Voltage VDD 10V VDD 5V VDD WRITE Time 3ns 10ms 10ns 40ns 20ns Typ. WRITE Energy (pj/bit) 0.5 50000 100 5000 50 WRITE Endurance Unlimited 10 6 Unlimited 10 12 No Data Masking Steps (over CMOS) 0 10 5 3? 3? Scaling Barriers 6T Switch E Fld Switch H Fld Cap. Size Swich Current Array Efficiency Good Poor Fair Fair Fair? 대메모리로서는대표주자격인 FeRAM(Ferroelectric RAM), MRAM, Phase-Change RAM과메모리소자로서개념정립단계에있는 PoRAM(Polymer RAM), SET-RAM(Single Electron Transistor-RAM), CNT-RAM(Carbon Nano Tube-RAM), Molecular RAM 등이있다. [1] FeRAM은플래쉬메모리에비하여메모리특성이우수한특성을가진비휘발성메모리이지만파괴적인읽기방식과제한된기록 / 재생수명그리고복잡한제조공정등의단점을가지고있다. Phase-Change RAM 은고밀도화의가능성이높고제조공정이상대적으로간단하여각광을받고있으나, 정보기록속도와데이터신뢰성의문제를해결할수있는획기적인재료를개발하여야만진정한유니버설메모리의반열에들어설수있다. 이들에비해, MRAM은비휘발성, 내구성, 정보기록 / 재생속도와수명, 정보저장밀도등여러면에서월등하게우수한성능을보이고있다 ( 표 1). 기존의메모리가서로의단점을보완하기위하여여러종류의메모리를함께써야하는점을고려할때, MRAM은보조메모리없이도혼자서충분히쓸수있어서진정한유니버설메모리로서자리매김할가능성이높다. MRAM은두개의자성박막과그사이에한개의절연막을끼워놓은구조의자기터널접합 (Magnetic Tunnel Junction, MTJ) 소자를기존의 CMOS 구조안에넣어만든다. 이때, MTJ는 DRAM에있어서캐패시터 (capacitor) 와같은역할을한다. 그림 1(a) 의사진은미국 Freescale Memory 사에서제작하여시판하고있는 4 Mb MRAM의부분단면을보여주고있다. MTJ의자성층사이에전압을인가하면, 절연체를터널하는전자의 conductance가두개의자성층에서의상대적인 자화방향에따라서바뀌게된다. 즉, 두개의자성층에서의자화방향이서로평형할때반평행한경우에비하여저항이작아진다. 그림 1(b) 의개념도로는 MRAM을이용하여어떻게정보를저장하는가하는기록동작원리를설명할수있다. 개념도에서와같이, Matrix 형상으로배선된 bit선 (BL, write line 2) 과 word선 (WL, write line 1) 의교점에 memory cell 을배치한다. 그리하여각배선을흐르는전류가만들어낸합성자장에의해서교차한 cell 내의자유자성층 (free magnetic layer) 의자성 spin을원하는방향으로배열시킬수있다. 고정자성층 (pinned magnetic layer) 의자화방향은고정되어있으므로두개의자성층의자화방향을평행혹은반평행의두가지상태를구현함으로써 1 과 0 이라는디지털신호를기록할수있게된다. 정보를읽어낼때는이미설명한대로 MTJ 소자에서의 TMR(Tunnelling Magneto-Resistance) 효과를이용하여행한다. 이는판독할때에 spin을반전시키지않고 MTJ의저항이높기때문에작은판독전류로큰출력을얻을수있다고하는특징이있다. 또한 cell 선택용 switch가통상적으로필요하며그림 1에나타낸것처럼각 bit는 1개의 MTJ 소자와 1개의 MOS transistor로구성된다 (1T 1J). 이것은기본적으로 DRAM의 capacitor를 MTJ 소자로바꿔놓은구조이다. Spin 반전자장은 bit선과 word선을흐르는전류자장의합성으로주어진다. 선택되지않은 cell에는 [1] Rainer Waser (Ed.), Nanoelectronics and Information Technology, p. 532, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim (2003). [2] Jon Slaugter, TND Technical Forum, 6 October, 2005. 18 물리학과첨단기술 June 2006
MRAM Module Front End 0.18 µm CMOS MTJ Metal 4 M3 Via 2 M2 Via1 M1 Bit Cell (a) Metal 5 Via 4 Magnetic Tunnel Junction Bottom Electrode Write Line 2 i Write Line 1 ON for sensing, OFF for programming (b) i i Top Electrode sense i Ref. 그림 1. 한개의 MOS transistor 와한개의 TMR cell 로구성된 MRAM 의 unit cell 구조 (a) 와 MRAM 의작동원리를보여주는모식도 (b). BL 또는 WL 중어느한쪽의전류자장만이인가되어반전자장이불충분하기때문에기록이불가능해진다. MTJ는 spin 반전이 ns이므로대단히빠르다. 그러므로 SRAM과같은정도의고속성과 DRAM과같은정도의대용량을갖춘비휘발성메모리로서기대된다. 특히실온에서박막성장을할수있고, 소자크기를작게하더라도 TMR이변하지않는다는특징은 FRAM이나 DRAM에는없는큰장점이다. 메모리발전방향의가장큰축이바로 고밀도화 이다. 고밀도화 는메모리의비트당가격을낮추어가격경쟁력을확보하는결정적인장점외에, 소형화, 대용량화, 저소비전력화등부수적인장점을제공한다. MRAM의경우, 고밀도화 를위해서넘어서야할기술적장벽이여러가지가있겠으나, 그중에서도고밀도화에따른 고보자력 (High coercivity) 문제, 비트선택도 (Bit selectivity) 문제 등이중단기적으로해결하여야할문제들이다. 고보자력문제 는자성박막의크기가작아질수록보자력이커져서기록에필요한자기장이커지고이에따라도선에흘려주어야할전류의양이커져야하므로메모리작동에어려움을더하게한다. 비트선택도문제 는한편으로는셀의크기가작아질수록제조공정상자기셀의보자력을균일하게만들기가점점더어려워지기때문에, 다른한편으로는셀과셀간의거리가가까워짐에따라원하는자기셀뿐아니라인접자기셀도스윗칭되는, 소위 cross-talk 현상을야기하기때문에발생한다. MRAM의고밀도화에따른상기의문제들은현재의 MRAM 기록방식이바뀌지않는한, 획기적으로극복하기힘들어서기가비트 (Gb) 급메모리를실현하기에도여간어렵지않을전망이다. 한편, 도선에전류를흘려서발생하는자기장으로자기셀을스윗칭하는현재의 MRAM 기록방식과는전혀다른기록방식 이제안되어현재연구개발중이다. 전류구동형자화스윗칭 (Current Induced Magnetization Switching, CIMS), [3-6] Precessional 스윗칭, [7] 열보조스윗칭 [8,9] 등이그것인데, 이들모두기존방식에비하여 비트선택도문제 를현저하게개선하였다. 이중에서도 CIMS 방식이성공가능성이가장높은것으로평가되는데, 이기술은 1996년 IBM의 Slonczewski, [3] 카네기멜론대학의 Berger [4] 등에의해제안된 Spin Torque 기술로나노스핀소자에임계값전류를인가할때스핀소자내나노자성체의국부적인자화방향이바뀌는현상을이용하는것이며 1999년과 2000년도에실험적으로입증된바있다. [5,6] 자기셀의크기가작아질수록 CIMS에의한정보기록이보다용이해지기때문에 MRAM의기록밀도를테라비트 (Tb) 급이상으로높일수있을것으로기대되고있다. CIMS 방식에있어서가장큰어려움으로는정보를기록할때필요로하는임계전류밀도가 10 7 A/cm 2 로너무크다는점과기록정보를재생할때신호 ( 이경우엔, 자기저항값 ) 가 1% 내외로너무작다는점등이있는데, 이소자를실용화하기위해서는반드시극복하여야할문제이다. [3] J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996). [4] L. Berger, Phys. Rev. B 54, 9353 (1996). [5] E. B. Myers, D. C. Ralph, J. A. Katine, R. N. Louie, and R. A. Buhrman, Science 285, 867 (1999). [6] J. A. Katin, F. J. Albert, and R. A. Buhrman, Phys. Rev. Lett. 84, 3149 (2000); F. J. Alber, J. A. Katine, D. C. Ralph, and R. A. Buhrman, Appl. Phys. Lett. 77, 3809 (2000). [7]H. W. Schumacher, Phys. Rev. Lett. 90, 017201 (2003); H. W. Schumacher, Phys. Rev. Lett. 90, 017204 (2003). [8] J.M. Daughton, and A. V. Pohm, J. Appl. Phys. 93, 7304 (2003). [9] I. L. Prejbeanu, IEEE Trans. Magn. 40, 2625 (2004); R. C. Sousa, J. Appl. Phys. 95, 6783 (2004). 물리학과첨단기술 June 2006 19
현재미국의 Freescale, IBM 및일본의 NEC, Toshiba 등이 MRAM을실용화하기위해활발히연구개발을하고있으며국내에서는삼성이차세대메모리기술로 PC-RAM과함께연구개발을하고있다. KIST에서는 MRAM용자기접합소자기술에대한연구를주로수행해왔으며최근에는 CIMS 기술에있어서임계전류밀도를저감시키기위한구조설계및공정기술에대한연구를수행하고있다. 스핀 FET 소자기술 그림 2. 스핀 FET 의구조및동작원리. 1990년대초반 Datta & Das [10] 에의해제안된스핀 FET(Field Effect Transistor) 는저전력, 초고속소자의잠재력을인정받아많은연구가진행되어왔다. 그림 2에스핀 FET의구조와작동원리를도시하였다. 트랜지스터구조에서 Source와 Drain에강자성체를사용하고 Source로부터스핀을반도체에주입시킨다음 Gate에서전기장을이용하여밴드갭이좁은반도체내의스핀프리세션 (Spin Precession) 을변조하여저항을제어하는방식이며결과적으로이러한스핀주입을통해기인되는비평형스핀을전압차또는저항차로측정감지할수있는스핀전자소자의특성을갖게되는것이다. 그중핵심기술인전기적스핀주입과감지는많은물리적, 실험적문제를해결해야하는어려운과제인동시에꼭풀어야하는중요한문제이다. Johnson & Silsbee [11] 의스핀주입실험과 GMR [12] 의발견은전류를강자성전극을통해금속내로주입할때강력한비평형스핀이금속내에발생함을보여주어스핀 FET 제안의이론적기초가되었다. 현재스핀 FET를위한기반기술등은많은연구가진행되었으나아직아무도동작하는스핀 FET를실현하지못하고있다. 광학적방법으로스핀신호를감지하는스핀 LED 분야에서는 2003년과 2004년에걸쳐벨기에의 IMEC과미국의 NRL에서 20-40% 정도의스핀주입신호를감지하였다. [13,14] 스핀주입과감지를전기적으로성공한예는금속기반채널에서는네덜란드의 Jedema 등이스핀신호를관찰하 였으나 [15,16] 실제스핀 FET 로의응용이가능한반도체기반 채널에서는최근까지의미있는신호를얻지못하였다. 스핀제어분야에서는일본의 NTT에서 InGaAs 채널을이용하여스핀을전기적으로프리세션시킬수있다는것을보여주었다. [17] 스핀 FET를개발하기위해서 KIST는 1) 초고속이종접합반도체의제작, 2) 초미세패터닝제작, 3) 효율적인스핀전달을위한소자설계, 4) 높은스핀분극재료등을중심으로연구를진행하고있다. [18,19] 초고속반도체구조는현재 MBE 를도입하여 InAs 또는 GaAs 기반으로하여 HEMT(High Electron Mobility Transistor) 구조를자체공급하고있으면일부는 KIST에서설계하여외부에서제작하고있다. 초미세패터닝기술은전자빔리쏘그래피장비를이용하여수십나노미터의정밀도로나노채널과스핀소스등을제작하고있다. 스핀전자소자의핵심기술은스핀분극된전자를전자전도도가강자성체보다훨씬낮은반도체로스핀정보를잃지않고전달시키는것이다. 이러한목표를달성하기위해강자성체와반도체사이의접합표면과배리어 (Barrier) 의폭등을스핀전달에적합한영역에들어올수있게설계되어있다. 새로운스핀분극재료는분극률이높은강자성반도체를개발하고있는데타대학등과협력하여스핀 FET에사용할수있는스핀소스를개발하고있다. 현재 KIST에서는스핀 FET 소자특성구현을목표로하고있으며현재강자성체와반도체사이에스핀전달신호를세계최초로전기적으로명확한신호를보여주었고사용하고있는반도체채널의스핀제어변수 (Rashba constant) 를실험적으로구하여스핀 FET 개발의높은가능성을보여주고있다. 향후스핀 FET 개발은스핀주입률의상승을통한신호마진의확대와전기장을이용한스핀제어기술의확립에있 [10] S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990). [11] M. Johnson and R. H. Silsbee, Phys Rev. Lett. 55, 1790 (1985). [12] G. A. Prinz, Science 282, 1660 (1998). [13] O. M. J. van 't Erve et al., Appl. Phys. Lett. 84, 4334 (2004). [14] V. F. Motsnyi et al., Phys. Rev. B 68, 245319 (2003). [15] F. J. Jedema, A. T. Filip, and B. J. van Wees, Nature 410, 345 (2001). [16] F. J. Jedema, H. B. Heersche, A. T. Filip, J. J. A. Baselmans, and B. J. van Wees, Nature 416, 713 (2002). [17] J. Nitta, T. Akazaki, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 78, 1335 (1997). [18] H. C. Koo, Hyunjung Yi, J. D. Song, J. B. Ko, Joonyeon Chang, and S. H. Han, IEEE Trans. Magn. 41, 2589, (2005). [19] Hyunjung Yi, H. C. Koo, W. Y. Kim, Joonyeon Chang, S. H. Han, S. H. Lim, J. Appl. Phys. 97, 10D502, (2005). 20 물리학과첨단기술 June 2006
다. 현재 KIST에서전기적스핀주입과감지를실현하였으나수 % 대에있는스핀주입률을향상시키기위해접합공정을 in-situ로수행할수있는클러스터 MBE 시스템등을구축하여이용하고있으며스핀소자에적합한이종접합구조를개발하여스핀 FET 소자에적용할계획이다. 이와같이전자의스핀을전기적으로제어할수있는스핀소자기술의개발을통해신개념의스위칭소자, 논리소자및메모리소자로서응용이가능한스핀전자소자를개발하고자한다. 초고주파스핀소자기술 (a) 초고주파통신용스핀가변발진소자는 Spin Torque 기술을이용한차세대정보통신용나노스핀소자이다. 동작주파수의고주파화에따른초소형화및무선통신시스템의요구기능에의해고집적 RF front-end의사용이필수적으로되고있으며휴대통신기, 위성및레이더통신, 자동차전자기기등과같은휴대무선통신송수신기에서의 RF front-end는소형화, 안정화, 낮은위상노이즈및저전력고출력의광대역가변발진기등을요구하고있다. 오늘날상용화되고있는무선송수신기에사용되는주파수는 1 ~ 500 MHz의낮은주파수대역에서매우높은성능의공명특성을갖는수동공진기 (passive resonator) ( 전형적으로 quartz-crystal) 로되어있으며이들발진소자는 1-2 mm 크기를갖고있고집적화된발진소자는이들소자에사용되는 LC 회로의한계때문에매우낮은성능지수를가진다. 집적화된기계적공진기 (mechanical resonator) (RF-MEMS) 에많은산업적연구가이루어져 FBAR, 소형디스크공진기등 1 MHz ~ 6 GHz 대역의고주파에서유망한성과를내었으나전기적신호에서기계적신호로전환되고이를다시전환해야하므로많은어려움이있으며, 기계적공진기에서좋은성능지수를얻기위해서는복잡한공정단계가요구되고출력이낮으며주파수가변이어렵다. 스핀토크현상을이용한나노스핀소자는전술한대로그동안 MRAM에응용가능한전류인가자화역전 (b) 그림 3. 초고주파나노스핀가변발진소자동작원리. (CIMS) 기술개발에주력하여왔는데 2005년자기나노 point contact에서전류인가동적거동을직접측정함으로써전류에의해생성된스핀토크가어떻게고주파자기발진을일으키는지설명하게됨에따라이를응용한스핀소자에대한연구가활발히이루어지고있다. 스핀토크소자에직류전류를인가할때발생하는초고주파는수 ~ 수십 GHz 대역의주파수를가지고있고, 공진주파수가전류와자기장값의변화에따라서넓은범위내에서조절가능하며, 높은 Q-인자값을가지고있다. 따라서나노스핀토크소자는무선통신에서필수적인초고주파발진장치의중요특성을만족시키며, 소자의물리적인특성상나노스 표 2. 스핀토크를이용한나노발진소자와기존의발진소자와의비교. 분류 수동발진소자 기계적발진소자 나노스핀발진소자 구조 LC, quartz-crystal RF-MEMS GMR or TMR 주파수 1 ~ 500 MHz 1 MHz ~ 6 GHz 1 ~ 수십 GHz 1~ 수십 mm 2 크기 소형 ( 수백 μm 2 ) 초박형 ( 수십 nm 2 ) 특성 고집적화어려움 공정복잡함 고집적화가능 성능지수낮음 출력전력낮음 주파수가변쉬움 주파수가변어려움 에너지효율좋음 물리학과첨단기술 June 2006 21
케일의크기를가지기때문에기존의발진소자들에비해서집적화, 가변 (tuning) 범위, 에너지효율등의면에서장점을가지고있다. 나노스핀발진소자를기존의발진소자와비교하여표 2에나타내었다. GHz 대역발진소자는무선통신소자의핵심으로이동통신, GPS 수신기, 무선네트워크등에널리사용될수있는소자이다. 초고주파가변발진나노스핀소자의동작원리를보면, 그림 3과같이스핀소자는자성체 / 비자성체 / 강자성체의삼층박막구조로이루어져있으며스핀토크와자기장에의한토크가서로반대방향이되도록설계하면스핀이 GHz 주파수대역에서세차운동을하도록제어하는것이가능하다. 따라서이를이용하여발진소자를제조할수있으며또한외부자기장에의해일정주파수범위에서가변하는것이가능하다. 스핀토크의특성상 100 nm 정도크기의나노 pillar 혹은 point contact의제작이필수적이기때문에, 나노소자의제작및나노분석기술을가지고있는연구기관을중심으로대규모연구가진행되고있으며특히스핀토크를이용한초고주파발진소자에대한연구는미국의 Cornell, NIST 및 Freescale을중심으로이루어지고있다. 아직국내에서는이기술에대한연구가본격적으로이루어지지않고있으나향후 KIST 및기초과학지원연구원을중심으로초고주파스핀소자에대한연구를본격적으로수행할계획이다. 나노선스핀소자기술나노소재중에그자체로나노소자를구성하는데유용한기본단위 (building block) 가되면서동시에나노재료가갖는다양한효과를구현할수있다는점에서나노선 (nanowire) 이주목받고있다. [20,21] 나노선의직경은대략 20~200 nm이며길이는수 ~ 수십 μm인 1차원구조를갖는다. 1차원전도특성으로인해 DP(D yakonov-perel) 기구에의한스핀산란 (spin scattering) 을줄일수있어스핀완화거리 (spin relaxation length) 가증가하는데실제전도채널이 2차원에서 1차원구조로바뀜에따라스핀분극률이 100% 로유지된다는것이보고된바있다. [22] 이와같이나노선이갖는구조적, 물리적장점에착안하여반도체또는금속나노선을이용한스핀주입소자를제작하고이로부터뚜렷한스핀신호를관찰하는일은매우흥미롭다. 나노선을만드는방법은크게기상법과전기도금법이있는데기상법은자기조립 (self assemble) 에의해나노선이단결정의형태로성장하며반도체나화합물의성장에많이이용된다. 반면전기도금법은다공성양극산화알루미나 (AAO) 의틀을사용하여이다공질내에나노선을성장하는것으로나노선을얻기위해 NaOH 수용액으로 AAO를제거 (a) (b) 그림 4. 전자빔리쏘공정으로한가닥의나노선에전극을연결하여완성된나노선소자의주사전자현미경사진. (a) GaN 반도체나노선에스핀주입을위해두개의자성체와전기적연결선을연결한스핀주입소자. (b) 자기저항과계면저항을측정하기위해 Bi 나노선위에 4 단자전극을연결한모습. 하면나노선다발이서로엉켜넘어져있는형태를갖는다. 이와같이무질서하게얽혀있는무수한나노선다발을효과적으로분산한후산화막이도포된 Si기판위에뿌리고그중한개의나노선을선택하여여기에전자빔리쏘공정으로전극을연결하여나노선의전도특성및스핀주입특성을측정하게된다. 그림 4는나노선을이용한소자를제작한후주사전자현미경으로관찰한것이다. (a) 는한가닥의나노선에두개의자성체 (a,b) 가접촉되어있어자성체 a로부터분극된스핀을나노선에주입하고주입된스핀을자성체 b가감 [20] Y. Xia, P. Yang, Y. Sum, Y. Wu, B. Mayers, B. Gates, Y. Yin, F. Kim, and H. Yan, Adv. Mater. 15, 353 (2003). [21] M.S. Gudiksen, L.J. Lauhon, J. Wang, D.C. Smith, and C.M. Lieber, Nat. 415, 617 (2002). [22] A. Bournel, Eur. Phys. J. AP. 4, 1 (1998). 22 물리학과첨단기술 June 2006
지하는구조이다. (b) 는나노선의전류- 전압특성과계면저항그리고자기저항특성을조사하기위해제작하는소자로서 4 개의 Au선이나노선에접촉하여 4단자측정이가능하다. 반도체나노선을대상으로다이오드, 게이트제어등전자소자로사용하기위한기초연구와더불어나노선을이용한전자소자의최대단점으로여겨지는나노선의배열성을개선하기위한연구가많이이루어지고있어가까운시일내에그가능성을확인할수있을것으로보인다. 선진국에서는전도성이좋은탄소나노튜브를이용한스핀전달특성에대해서는연구결과가보고되고있지만 [23] 반도체나노선또는금속나노선을이용한스핀주입및스핀의전도특성에대해서는연구보고가전무한실정이다. 나노선합성에서부터개개나노선에나노크기의전극을접촉해야하는등공정상에많은난관이있을뿐만아니라측정또한쉽지않아아직까지성공한연구팀이없는것으로여겨진다. KIST에서는스핀산란을최소화할수있는 1차원구조로서나노선의가능성을확인하였으며이를바탕으로나노선을이용한신개념스핀소자를개발하고자한다. 스핀홀소자기술 Edwin Hall에의해홀 (Hall) 효과가발견된지이미 1세기가지났다. 20세기후반에들어와서도 Hall 효과는여전히고체물리학분야에서활발히연구되고있는분야인데, 양자역학적효과가첨가되어 integer 홀효과와 fractional 홀효과를보여주고있다. 한편, Hall 효과에전자의스핀을추가하여고려하면스핀홀효과를생각할수있다. 이러한스핀홀효과는스핀 -궤도결합이강한반도체에서관찰되는것으로보고되고있다. [24,25] 스핀홀효과는외부자기장없는환경에서스핀- 궤도 scattering이전자의스핀방향에따라다르기때문에나타나는현상으로, 일반적인홀효과와달리스핀이 unbalance되게전도채널가장자리에쌓이는현상이다. [26,27] 이때전도채널가장자리에쌓이는전하의양은동일하여일반적인 transverse voltage는측정되지않는다. 그런데스핀 [23] K. Tsukagoshi and B.W. Alphenaar, H. Ago, Nat. 401, 572 (1999). [24] Y. K. Kato, R. C. Myers, A. C. Gossard, and D. D. Awschalom, Science 306, 1910 (2004). [25] J. Wunderlich, B. Kaestner, J. Sinova, and T. Jungwirth, Phys. Rev. Lett. 94, 047204 (2005). [26] J. E. Hirsch, Phys. Rev. Lett. 83, 1834 (1999). [27] S. Zhang, Phys. Rev. Lett. 85, 393 (2000). [28] S. Valenzuela, M. Tinkham, con-mat/0605423. Measurement of Spin Hall device + FM Super conductor -V I + FM Super conductor +V I 그림 5. 스핀홀소자의구조및동작원리. 이미리정렬된전류를스핀- 궤도결합효과가강한반도체내에흘려주면상황이달라진다. 즉, 스핀방향에따라가장자리에쌓이는전하의양이다르게되고, 스핀홀효과는이제유한한값의 transverse voltage를일으키게되어전기적신호로검출할수있다. 현재세계적으로스핀홀효과에대한연구는이론적으로나실험적으로매우활발하다. 특히, 실험분야에서는미국 Univ. of California, Santa Barbara의 Awschalom 교수그룹과영국의 Hitachi Cambridge Lab의 Wunderlich 박사와 Nottingham 대학의 Jungwirth 교수그룹에서광학적인방법으로스핀홀효과를연구하고있으며, [24,25] Harvard 대학의 Tinkham 교수그룹에서는최근스핀홀효과를전기적인신호로검출하는데성공하였다고발표하였다. [28] 한편, 국내에서는스핀홀효과에대한실험적보고가없는상태이다. 스핀홀효과가전자소자에사용되기위해서는전기적신호로검출될수있어야한다. KIST에서는그림 5에서나타낸바와같은스핀홀소자를개발, 연구중에있으며저온에서스핀홀효과의전기적검출을성공하였다. 현재안정적인소자작동을위한공정제어연구를하고있으며, 향후소자작동온도를상온으로올리기위해서스핀홀효과를크게보일수있는반도체들을 KIST에서보유하고있는클러스터 MBE 를이용하여개발하고있다. 현재스핀홀효과소자에대한연구는기초과학적연구에치중하여학문적의문점을해소하기위해서수행되고있다. 전자소자로서의작동가능여부에따라서향후신개념메모리소자로서자리매김을할수있을지판단될것이다. 아직은작동온도, 검출된신호의크기, 소자제작공정등에있어서개선해야할부분이상당히많이남아있다. 하지만 KIST의기초연구에서희망적인결과를확인함으로써스핀홀효과소자의전형모델이국내에서먼저개발되기를기대하고있다. 물리학과첨단기술 June 2006 23