기존 실리콘(Si) 반도체는 전자의 전하(-)만을 이용한다. 하지만 스핀 트랜지스터는 전하와 동시에 스핀을 이용해 전자 소자를 구동, 기존 트랜지스터에 비해 처리 속도가 높은 반면 발열량이 낮다. 스핀 트랜지스터가 상용화될 경우 비휘발성의 초고속, 초저전력의 전자소자 개발이 가능해질 것으로 기대된다. 2009년 KIST 연구진이 세계 최초로 스핀 트랜지스터 기술을 개발한 이래 동작온도를 올리기 위한 많은 연구가 수행되었으나 여전히 영하 200 ℃ 이하 저온에서만 작동해 상용화에 걸림돌이 되었다.
최근 국내 연구진이 상온에서 구동하는 스핀 트랜지스터 개발 가능성을 한층 높였다.
장준연 한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소장, 박태언 스핀융합연구단 박사 연구팀은 질화 갈륨(GaN) 반도체 나노선을 이용해 상온에서 10% 이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀 전자가 1 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 이상을 이동해도 스핀 정보의 큰 손실 없이 반도체 채널을 이동할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 연구진은 스핀 주입신호를 제어할 수 있는 획기적 방법도 개발했다.
연구진은 이 요소 기술들을 결합하면 영하 200 ℃ 이하의 저온에 머물러 있던 스핀 트랜지스터의 동작 온도를 상온까지 끌어 올릴 수 있을 것으로 기대하고 있다.
상온에서 동작하는 스핀트랜지스터를 개발하기 위해서는 10% 이상의 높은 스핀 주입률과 주입된 스핀이 500 나노미터(nm) 이상의 스핀 완화 거리를 가져야 한다. 연구진의 이번 연구결과는 스핀 트랜지스터의 한계를 극복하게 되었다는 데 의미가 있다.
KIST 장준연 박사는 “반도체 스핀 트랜지스터를 개발하는데 가장 중요한 요소인 동작 온도를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 방법을 제시했다”라고 말했다.
미래창조과학부 나노소재개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 창의융합연구사업으로 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’ 2일자에 온라인 게재되었다.
/문병도기자 do@sedaily.com
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