스핀 트랜지스터 상용화의 최대 걸림돌 해결
스핀 트랜지스터 상용화의 최대 걸림돌 해결
  • 문현식
  • 승인 2019.01.09 06:40
  • 조회수 979
  • 댓글 0
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반도체 소자의 핵심 요소인 트랜지스터는 전기 신호를 증폭하거나 차단·전달하는 '스위치' 역할을 합니다. 컴퓨터 성능은 정보를 처리하는 트랜지스터의 수가 좌우하는데, 초기 컴퓨터 한 대에 2,300개 정도였던 트랜지스터 수는 현재 수십 억 개에 이릅니다. 

 

하지만 손톱 크기의 프로세서에 더 많은 트랜지스터를 집적하는 것이 이제 물리적으로 한계 상황에 이르렀습니다. 과학자들은 차세대 트랜지스터를 찾고 있습니다.

 

스핀 트랜지스터 주목

 

한국과학기술연구원 연구팀이 개발한 스핀트랜지스터. 출처: 한국과학기술연구원
한국과학기술연구원 연구팀이 개발한 스핀 트랜지스터. 출처: 한국과학기술연구원

스핀 트랜지스터는 이런 차세대 트랜지스터 중 하나로 주목받습니다. 반도체 내의 전자의 스핀 현상을 이용한 트랜지스터입니다. 일반적으로 회전하는 것을 스핀이라고 하는데, 과학자들은 전자가 양자역학적 상태에서 자성 방향으로 회전하는 것을 스핀이라고 합니다. 

 

최근 국내 연구진이 스핀 트랜지스터 상용화의 최대 걸림돌인 강자성 전극 문제를 최초로 해결해 국내·외 반도체 산업계의 관심이 고조되고 있습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 스핀융합연구단 구현철 연구팀은 기존 스핀 트랜지스터의 구동을 위해 반드시 필요했던 자기장과 자성체를 모두 제거하고도 초고속 반도체만으로 스핀을 생성, 제어, 감지하는 새로운 스핀 트랜지스터 개발에 성공했다고 밝혔습니다.

 

스핀 트랜지스터 개략도(왼쪽)와 전자현미경 사진. 출처: 한국과학기술연구원
스핀 트랜지스터 개략도(왼쪽)와 전자현미경 사진. 출처: 한국과학기술연구원

전자의 이동량을 이용하는 기존 산화금속반도체 트랜지스터와 달리, 스핀 트랜지스터는 전자의 스핀을 이용해 신호를 제어합니다. 전류를 흘렸다가 차단하는 것이 아니라 전자의 스핀만 바꾸면 되기 때문에, 속도가 빠르고 전력 소모가 매우 낮게 만들어질 수 있는 잠재력이 있습니다.

 

스핀 트랜지스터는 전자가 회전하는 방향에 따라 디지털 신호를 구분할 수 있어 정보처리 속도가 획기적으로 빨라집니다. 또한 저전력에도 구동이 가능해 실리콘 반도체를 대체하는 차세대 반도체로서 기대를 모으고 있습니다.

 

그럼에도 스핀 트랜지스터는 단점이 하나 있었습니다. 전자의 움직임을 유도하는 자기장과 자성체가 필요하다는 점이었죠. 기존에 나왔던 스핀 트랜지스터는 대부분 강자성체와 반도체 사이의 접합면에서 신호를 잃어 실제 소자로 상용화가 어려웠습니다.

 

KIST 구현철 박사(왼쪽)와 최원영 박사. 출처: 한국과학기술연구원
KIST 구현철 박사(왼쪽)와 최원영 박사. 출처: 한국과학기술연구원

KIST 연구팀은 자기장과 자성체를 모두 제거하고, 반도체만으로 이루어진 스핀 트랜지스터를 개발했습니다. 반도체 자체에서 스핀 정보를 발생하고 방향을 제어해 전기적으로 이를 읽을 수 있도록 한 것입니다. 이를 통해 KIST 연구팀은 스핀 트랜지스터의 약점이었던 신호 전달을 100배 이상 향상시켰다고 합니다. 또 자성 물질로 인한 노이즈와 전력소비도 획기적으로 줄일 수 있었습니다. 

 

KIST 구현철 박사는 "이번에 개발한 스핀 트랜지스터는 스핀 관련 전자소자에 반드시 강자성체와 자기장이 필요하다는 고정관념을 깬 덕분에 가능했다"며 "반도체 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있는 길을 열었다"고 설명했습니다. 이번 연구는 나노 분야 학술지 <나노레터스>에 게재됐습니다.


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