스핀트로닉스 스핀트랜지스터 DOI: 10.3938/PhiT.19.038 구현철 장준연 한석희 엄종화 Spin Transistor Hyun Cheol KOO, Joonyeon CHANG, Suk Hee HAN and Jonghwa EOM Controlling not only the charges but also the spins of electrons, spintronic devices are expected to overcome the physical limitation of current Si-based electronics. The spin injected field effect transistor (FET), a lateral semiconducting channel with two ferromagnetic electrodes, lies at the heart of spintronics research. An essential ingredient of spintronic devices is a spin polarized current, which can be generated by current injected from ferromagnetic materials. Transition metal is a good source of spin polarized current, and exhibits room temperature operation due to the high Curie temperature. InAs-based high mobility channel is utilized for spin transport channel due to large spin-orbit interaction. This article reviews the demonstration of a spin FET operation which includes the gate voltage control of spin precession of injected spins. 저자약력 들어가는글 최근실리콘전자소자기술이물리적한계에근접하여더 구현철박사는미국 University of Maryland 공학박사 (2002) 로서현재한국과학기술연구원책임연구원으로스핀제어정보소자연구에참여하고있다. (hckoo@kist.re.kr) 장준연박사는연세대학교공학박사 (1998) 로서현재한국과학기술연구원책임연구원으로스핀제어정보소자연구에참여하고있다. (presto@kist.re.kr) 한석희박사는서울대학교공학박사 (1993) 로서현재한국과학기술연구원책임연구원으로스핀제어정보소자연구에참여하고있다. (sukhan@kist.re.kr) 엄종화교수는미국 Northwestern University 이학박사 (1998) 로서현재세종대학교교수로스핀홀효과와스핀-궤도상호작용연구에참여하고있다. (eom@sejong.ac.kr) Fig. 1. Characteristic of spin transistor. Spin transistor can control not only electron charge but also electron spin. 이상소자의크기를감소시키는것이어렵고나노크기의소자공정을위해많은비용이소모되고있다. 이에따라스핀트로닉스 (Spintronics) 소자와같은차세대소자의출현이필요하게되었다. 스핀트로닉스소자는단순한기존소자의개량이나소형화가아닌전자의양자역학적성질인스핀을이용하는개념의전환을이루는소자이다. 스핀관련소자는지금까지메모리나저장용미디어를중심으로발전해왔다. 자성은전원이없이도그정보를유지할수있는비휘발성을띠고있어하드디스크, 저장테이프, 최근에는자성메모리 (Magnetic Random Access Memory) 분야에서많은연구가되었다. 그러나새로운기능의연산및메모리융합소자를구현하기위해서는능동소자의출현이필요하게되었다. 스핀트로닉스분야의대표적능동소자인스핀트랜지스터 (Spin Transistor) 는그림 1과같이전자가가지고있는전하와스핀을동시에제어할수있는장점을가지고있다. 스핀트랜지스터는반도체와강자성체 (ferromagnet) 의하이브리드구조를이용하여트랜지스터의특성을구현하는새로운개념의소자이다. 스핀의정보를반도체채널에전달하고입력된스핀의방향을게이트전계로조절하여동작시키는소자이다. 이러한스핀트랜지스터는같은전하량이전달되더라도스핀이라는또하나의제어할수있는변수가있어다양한기능을할수가있다. 스핀의방향에따라저항이바뀌는것을이용한스위칭소자로사용이가능하며자성물질의고유한특성인비휘발성을이용한메모리기능도갖추어차세대논리및정보저장통합소자로의적용이가능하다. 물리학과첨단기술 July/August 2010 23
Fig. 2. Operation of spin transistor. If the spins arriving at drain are parallel (antiparallel) to the magnetization of drain, the transistor is ON (OFF) state. 스핀트랜지스터의동작원리 1990년 Datta-Das가이론적으로제안한스핀전계효과트랜지스터 (spin Field Effect Transistor) 는 [1] 전자의스핀을이용하여저항을변화시키는신개념트랜지스터소자로비휘발성, 저전력, 초고속소자로서의잠재력을인정받아최근 20 여년간많은연구가진행되어왔다. 그림 2에스핀트랜지스터의구조와작동원리를나타내었다. 그림에서볼수있듯이기존소자와구조적으로거의동일하나유일한차이는소스 (source) 와드레인 (drain) 부분이전자의스핀을정렬하고감지할수있도록강자성금속 (ferromagnetic metal) 으로이루어진것이다. 작동원리는다음과같다. 강자성체소스의자화방향으로 ( 화살표 ) 정렬된스핀분극된전자를반도체에주입시킨다음소스와드레인사이에위치하고있는게이트전극 (gate) 에전기장을인가하여반도체채널을통해이동하는전자의스핀방향 ( 반도체내부전자의화살표 ) 을조절한다. 드레인자성체의자화방향은소스와동일한방향으로정렬되어있으며반도체내부를이동하여드레인에도착하는전자의스핀방향이드레인의자화방향과평행 (parallel) 하거나반평행 (antiparallel) 하면각각저항이낮거나높게나타난다. 결국반도체로주입된스핀의방향을게이트전기장으로제어하여저항을변화시키는것이다. 스핀트랜지스터동작의필요조건 이와같이스핀트랜지스터를작동시키기위해서는많은기반기술이필요하다. 먼저소스와드레인이원하는방향의 자화 (magnetization) 와높은분극률 (polarization) 을가져야원하는스핀정보를전달할수있다. 현재는상온에서도안정된스핀분극을갖은 Co, Fe Ni나이들의합금을사용하고있다. 그다음으로는스핀정보를반도체내에높은효율로주입을하여야한다. 강자성체의스핀분극률은 40% 정도이므로모두가정보를잃지않고통과하여도주입된스핀분극은절반이하이다. 현재반도체로의전기적스핀주입률은수 % 에불과하고입력단과출력단의접합면을지나가면현저하게감소하게되어스핀분극전자의주입효율을높이는것이시급하다. 적절한스핀채널의선택은스핀주입과함께가장중요한필수요건이다. 스핀채널을제작할때에는스핀감쇠특성과스핀제어특성을동시에고려해야한다. 물질에따라스핀정보가감쇠되는정도가크게다르며단위길이에서스핀을회전시킬수있는효율도매우다르다. 이두가지는서로상충되는경우가많아목적에따라잘고려해야하며이는소자를동작시키는것이상당한난이도를갖는다는것을보여주고있다. 스핀주입및전달스핀트랜지스터를구현하기위해기본적으로필요한것은얼마나많은스핀정보를소스에서드레인으로전달하는가를나타내는스핀주입효율이다. 대부분의스핀정보의손실은소스와채널그리고채널과드레인사이의접합면에서일어난다. 따라서스핀주입을전기적으로측정하는실험은매우중요하다. 금속채널은스핀을전기적으로제어할수있는라쉬바스핀 -궤도결합특성이작기때문에반도체채널을이용하여야스핀트랜지스터를구현할수있다. 많은그룹들이강자성체와금속사이에서스핀이전달되는것을전기적으로확인하였으나강자성체에서반도체로전달하는것은매우제한된그룹만이성공을하였다. 그이유는강자성체와반도체사이에고유저항차이가커서접합면에서스핀스케터링에따른스핀감쇠가일어나기때문이다. 이를극복하기위해서는접합면의저항을적절하게조절하는계면제어와채널길이를미세하게패터닝하는나노공정기술을필요로한다. 이실험에사용한소자는소스와드레인을증착하기전에알맞은접촉저항을구현하기위해반도체층의일부를밀링으로제 [1] S. Datta and B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990). 24 물리학과첨단기술 July/August 2010
4 2 ΔV (μv) 0-2 -4-20 -10 0 10 20 B a (mt) Fig. 4. Non-local lateral spin valve magnetoresistance measurement using configuration of Fig. 3(a) at T 1.8 K. The black and red lines correspond to field sweep-up and -down, respectively. The pairs of arrows indicate the magnetization alignments of the two ferromagnetic electrode. Fig. 3. Structure of spin valve device with an external magnetic field applied along the y-axis (top) and x-axis (bottom). The center-to-center channel length is 1.65 μm and the bias current is 1 ma. 거하였다. 그림 3은 [2] 이실험에서사용된측정구조로자장을 x- 또는 y-축으로가하면서전기적으로측정을하는것을보여주고있다. 강자성체의형상이 y축방향으로장축 (long axis) 을가지므로자기형상이방성으로인해 y 방향으로자화용이축이형성되어 y축방향으로외부자기장을인가하면쉽게두자성체의자화방향을평행 -반평행으로조절할수있다. ( 상단그림 ) 반면 x축방향으로자기장을인가하면이방향의스위칭필드가매우커지므로통상적으로인가하는 ±20 mt 범위에서두자성체의자화방향은여전히 y 방향으로정렬되어두자성체의자화방향을평행 -반평행으로정렬할수없다. ( 하단그림 ) 그림 4는 [2] 스핀이전달되는신호를전기적으로측정한결과로그림 3의상단과같이 y 방향으로자기장을인가하여측정한구조이다. 측정구조에서보듯이전류를입력단에가하고전압을출력단과다른쪽의채널사이를측정하는구조이다. 이방법을논로칼 (non-local) 측정방법이라고부르며전하의흐름이아닌순수한스핀전류를측정하는방법이다. 여기서는게이트전압의영향을배제하고단순히스핀전달만을측정하기위해 0으로하였다. 강자성체로는 NiFe를증착하였고소스와드레인의강자성체의스위칭필드를다르게하기위해다른크기로제작을하였는데자장을조절하면두강자성패턴이평행또는반평행으로정렬을하게된다. 측정결과에서보이는바와같이두자성체의자화방향이평행일 때는높은전위를반평행일때는낮은전위를갖는것을관찰할수있다. 이는입력된스핀이출력단에전달되었다는것을알수있는증거가된다. 본실험에서는강자성체와반도체채널과의거리를조절하여오믹특성에근접한낮은터널링배리어를갖게하여스핀주입효율과전기적감도를향상시켰다. 이실험에사용된 InAs 기반채널은채널길이에따른논로칼측정방법을통해 20 K에서 1.8 μm, 상온에서 1.3 μm 정도의스핀확산길이를얻었다. [3] 스핀주입효율은접합면의상태에크게좌우되는데현재전기적방법에의한측정결과로는수 % 대에머물고있다. 라쉬바효과 스핀트랜지스터를동작하기위해서는스핀세차운동 (spin precession) 이필요한데이러한현상을발생시키는기본원리를라쉬바효과 (Rashba effect) 라고부른다. 라쉬바효과는전기장을자기장으로전환하는원리로스핀트랜지스터를구현하는데중심이되는현상이다. 그림 5와같이 x-방향으로진행하는전자가 z-방향으로전계를받으면 y-방향의자장이유도되는것을기본원리로하고있다. 여기서전계는반도체이종구조내부에서발생하며외부전기장을가해그크기를조절할수도있다. [2] H. C. Koo, J. H. Kwon, J. Eom, J. Chang, S. H. Han and M. Johnson, Science 325, 1515 (2009). [3] H. C. Koo, H. Yi, J.-B. Ko, J. Chang, S.-H. Han, D. Jung, S.-G. Huh and J. Eom, Appl. Phys. Lett. 90, 022101 (2007). 물리학과첨단기술 July/August 2010 25
14 4 α (10 12 ev-m) 12 10 3 n S (10 12 cm 2 ) 8 Fig. 5. Diagram of Rashba field. Moving electrons with electric field produce effective magnetic field. -3-2 -1 0 1 2 3 (V) 2 R xx (a. u.) = -3V 2.0-1V 1.5 1.0 0V 1V 3V 1.5 2.0 2.5 B a (T) Fig. 6. Shubnikov-de Haas oscillations as a function of gate voltage. 반도체내부에서라쉬바효과를발생시키고전자이동도를높이기위해 HEMT(High electron mobility transistor) 구조를채널로사용하고있다. 라쉬바효과는물질그자체에서발생하기보다는접합면의비대칭성이중요한역할을함으로정교한이종접합구조를개발하는것이매우중요하다. 이실험에서는밴드갭이작은 InAs를양자우물층으로사용하고전하를전도층에가두기위해크래딩층으로 InGaAs와 InAlAs 층을사용하고있다. 여기서도핑층을양자우물층아래에두고비대칭적인구조를만들었는데그이유는비대칭채널에서는전도밴드의기울기에따라강한전계가발생하고이전계는게이트전압을가하여크기를조절할수있기때문이다. 라쉬바효과를측정하기위해많이사용하는방법은 Shubnikov-de Haas (SdH) oscillation을채널로부터얻는것이다. [4,5] 이방법은수직자장을가하면서저항을측정하는방법이다. 그림 6은 [2] SdH 측정결과인데맥놀이파형을발견할수있다. 측정된파형의주파수는전자밀도에비례하는값이다. 스핀업 (up) 과다운 (down) 전자농도는라쉬바효과에의해동일하지않게되며각각의다른주파수를갖고이두개의파형이합쳐져서맥놀이파형이관찰된다. 여기에서노 Fig. 7. Gate voltage dependence of spin-orbit interaction parameter (α) and carrier concentration (n S) as functions of gate voltage. Due to the internal electric field induced by asymmetry of the quantum well structure, α shows non-zero even with zero gate voltage. 드위치를관찰하면두종류의스핀농도의차이를알수있고결국은얼마나많은라쉬바필드가유도되었는지를알수있다. 이러한크기를나타내는파라미터를스핀 -궤도결합상수 ( ) 라한다. 이상수는전기장의크기에따라제어가되는상수로써게이트의전압으로이를제어할수있다. 그림 7은 [2] 게이트전압에따른스핀- 궤도결합상수를보여주고있다. 게이트전압과스핀- 궤도결합상수와의관계는게이트절연막의두께와도관련이있다. 절연막이두꺼워지면채널에가해지는외부전계가작아져게이트제어를하기가어려워진다. 그러나누설전류의방지를위해본실험에서는 100 nm의절연층을사용하였다. 게이트에서발생하는전기장이라쉬바필드와스핀궤도결합상수를변화시켜양의전압으로갈수록그값이작아짐을보여준다. 이는채널의에너지밴드계산결과와도일치한다. 비대칭한양자우물구조가양의게이트전압에서는대칭한쪽으로변하고음의전압을가할수록비대칭성이커짐을알수있다. 이그래프를보면전하밀도는게이트전압에따라많은변화가없는데이는라쉬바효과를관찰하기에좋은시스템임을보여준다. 게이트제어 앞에서살펴본바와같이게이트전압으로라쉬바효과의 [4] J. Nitta, T. Akazaki and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 78, 1335 (1997). [5] J. H. Kwon, H. C. Koo, J. Chang, S.-H Han and J. Eom, Appl. Phys. Lett. 90, 112505 (2007). 26 물리학과첨단기술 July/August 2010
ΔV (μv) 80 60 40 20 0 300 K 77 K 40 K 7 K 4 K -4-3 -2-1 0 1 (V) 1.8 K Fig. 8. Spin precession signal as a fucntion of temeprature. The channel length is 1.25 μm, and bias current is 1 ma. As increasing temperature the mean free path decreases and transport characteristics change from ballistic to diffusive at 50 K. 는 ballistic 모델과 diffusive 모델이있다. 이중에서 ballistic 모델은스케터링이없이스핀정보가전달되어출력신호가코사인 (cosine) 형태로나타난다. 스핀이회전하는정도는스핀-궤도결합상수에비례하게나타난다. 그러나 diffusive 모델에서는출력단에도달하는스핀이모든다른시간이걸려도착하므로이러한스핀의분포를모두고려해주어야한다. 이를계산해보면 diffusive 영역에서는어떠한파형도관찰될수가없다. 따라서이실험에서관찰한스핀프리세션은 ballistic 모델로설명할수있다. 그림 8은 [2] 온도에따른게이트제어신호를보여주고있다. 약 40 K까지뚜렷한스핀프리세션신호를보여주고있으며그보다온도를높이면신호가사라지고있다. 그이유는스핀전달메커니즘과관계가있다. 본실험에사용된채널의평균자유행로 (mean free path) 는 50 K 정도에서갑자기감소하는데, 이온도에서 ballistic 전달메커니즘이 diffusive 전달메커니즘으로전환되기때문으로보인다. 크기를조절할수있다. 그림 3의두그림은게이트제어실험의측정구조로써외부필드의역할은소스와드레인의자화방향을정렬시키는것이며실제로스핀의방향을제어하는것은게이트전기장이다. 라쉬바필드의방향이 y-축과평행하므로상단과같이자장을 y-축으로가하면스핀프리세션이일어나지않는다. 스핀프리세션은스핀이자장방향을축으로하여회전하기때문이다. 그러나입력된스핀이그림 3 의하단그림처럼 x-방향인경우에는 y-축을중심으로 x-z 평면에서프리세션을하고드레인에도착하게된다. 여기서도다른원하지않는효과들을배제하기위해논로칼측정방법을사용하였고측정된전압값은그림 8과 [2] 같다. 온도가 1.8 K일때를예를들면드레인에도착한스핀이드렌인의자화방향과평행이면높은전위를, 반평행이면낮은전위를얻게된다. 입력된스핀이출력단까지전달되는것을설명하는모델로 맺음말본연구를통해스핀트랜지스터의동작을실험적으로보여주었다. 게이트전기장으로스핀의방향을제어하여차세대소자로서의가능성을제시하였고강자성체가가진비휘발성까지응용한다면메모리와논리소자를통합하는소자로도발전시킬수있다. 현재는소자의동작을확인하는정도의초기개발단계에불과하며이용가능한소자를위해서는스핀주입률향상, 고효율스핀채널개발, 외부자장이필요없는시스템개발등의많은연구가필요하다. 감사의글이연구는한국과학기술연구원의기관고유사업의지원을받아이루어졌습니다. 물리학과첨단기술 July/August 2010 27