연구단장 소개

스핀융합연구단 구현철
김형준

스핀트로닉스 소자용 반도체 에피택셜 성장

연구분야 소개

현재 실리콘 반도체 특성에 기반을 둔 기존 전자소자 기술이 근본적인 물리적 한계에 접근함에 따라 이를 극복할 수 있는 새로운 개념의 기술이 강력하게 요구되고 있습니다.
기존의 전자소자 기술은 전자가 가지고 있는 전하 특성만을 이용했다면 스핀트로닉스 기술은 전하뿐만 아니라 양자역학적인 스핀 물리현상을 동시에 이용하여 그 한계를 극복하고자 하는 기술입니다. 스핀트로닉스 소자는 스핀의 고유특성인 비휘발성(non-volatility) 뿐만 아니라 초고속, 초저전력 등의 특성을 가지고 있어서 차세대 소자로 주목 받고 있으며 스핀융합연구단은 이러한 스핀트로닉스 소자 구현을 위한 핵심요소기술에 대한 연구에 많은 노력을 쏟고 있습니다.

스핀융합연구단에서 진행되고 있는 연구는 대표적으로 스핀 정보저장소자 기술, 스핀 정보처리소자 기술 및 스핀 통신소자 기술 등이 있으며, 이러한 연구를 통하여 신개념의 스핀소자를 개발하는 하고자 합니다.

연구분야

연구분야

게이트 제어 스핀 홀 트랜지스터

  • - 스핀-궤도 결합은 스핀과 전하가 전환되는 중요한 현상으로 차세대 스핀 전자소자개발을 위한 가장 중요한 물리현상임.
  • - 미사일 시커 (seeker) 및 인공위성 탐재체 등의 군용 및 위성장비에 필수적인 중적외선 센서의 저젼력 동작 및 휴대화가 기대됨.

그림 1. 스핀 세차 운동에서 유도된 스핀 홀 효과 (a)소자개념도 (b)역 스핀 홀 신호 (c)대조군 소자 신호 (d)직접적 스핀 홀 신호

고온동작 양자점 적외선 디텍터 구현
스핀궤도결합 제어

스핀궤도결합 제어

  • - 스핀 크리스탈 방향에 따른 스핀-궤도 결합 상수 측정함.
  • - Rashba 파라미터(α)는 게이트제어가 가능하고 Dresselhaus(β) 파라미터는 게이트 전압에 대해 상수임을 관찰할 수 있으면 이 시스템에서 Rashba 필드가 Dresselhaus 필드보다 훨씬 큼을 알 수 있음.
  • - Effective Rashba 파라미터는 Rashba 필드와 외부필드가 평행하면 증가하고 반평행하면 감소함을 확인했고 이를 통해 외부 필드가 Rasbha effect와 간섭을 한다는 것을 보여줌.

그림 2 (a) InAs 양자 우물의 결정 구조 (b) 소자의 현미경 사진 (세 가지 다른 결정 방향을 가진 소자)

전기적으로 발생시킨 스핀웨이브를 이용한 DMI 측정

  • - 자성체에 DMI가 존재할 경우 스핀웨이브의 진행 방향에 따라 스핀웨이브의 주파수가 달라지게 되며, 이를 이용하여 자성체 내의 DMI를 측정할 수 있음.
  • - 박막에 스핀웨이브 주입과 검출을 위한 안테나를 형성하고 한 쪽 안테나에 마이크로파 소스를 연결하여 자성 박막에 스핀 웨이브를 발생시키고 다른 편에 위치한 안테나에서 전파된 스핀 웨이브를 감지함.
  • - 실제 측정한 주파수 차이로부터 DMI 상수를 구하였고 Pt/Co(20)/MgO, MgO/Co(20)/Pt 박막에서 DMI 상수가 두께의 역수(1/t)에 비례하는데 이는 DMI가 계면에서 기인함을 말해주는 것임.

그림 3. 스핀 웨이브의 비대칭 전파를 이용한 DMI 측정 방법

전기적으로 발생시킨 스핀웨이브를 이용한 DMI 측정
초고속 레이저를 이용한 스핀 거동 분석

초고속 레이저를 이용한 스핀 거동 분석

  • - 초고속 레이저 측정 장비를 이용하여 스핀트로닉스 소자에서 발생하는 극초고속 스핀 현상 (기가헤르츠에서 테라헤르츠 영역)을 탐색하고 그 원리를 규명함.
  • - 탈자화에 의한 스핀 발생이 전자-마그논 커플링에 의해 일어나며, 스핀 발생율이 자화의 시간변화분에 비례한다는 사실을 밝혀냄.
  • - 초고속 탈자화 및 스핀-의존 제백효과로 발생시킨 스핀 전류가 강자성체에 세차운동을 일으킬 수 있다는 사실을 보여줌.

그림 4. 초고속 레이저를 이용한 초고속 탈자화 및 스핀의존 제백 효과 측정 개념도

에피전사기술을 이용한 실리콘/III-V 스핀융합소자

  • - 라쉬바 효과를 이용한 스핀트랜지스터 구현에 필수적인 2DEG 내의 스핀-궤도 결합을 제어하는 인자를 에너지 밴드구조의 변화에 따라 관찰함.
  • - 진공 박막 증착으로 InP 기판 상에 에피택셜 성장된 InAs 2DEG 구조를 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 기판에서 분리하고 실리콘 기판 상으로 전사하여 접합계면, 전자이동도를 비롯한 전기적 특성과 스핀-궤도 결합의 게이트 의존성을 관찰함.
  • - 실리콘 기판 상에 전사된 n-InGaAs 채널로의 스핀 주입/검출을 상온에서 non-lo cal 스핀밸브 신호로 관찰함으로써 실리콘/III-V 화합물반도체 융합 스핀소자의 가능성을 세계 최초로 제시함.

그림 5. 에피택셜층 전사 공정

에피전사기술을 이용한 실리콘/III-V 스핀융합소자
스핀-궤도 결합력 제어를 위한 2D 나노플레이크 합성 및 특성평가

스핀-궤도 결합력 제어를 위한
2D 나노플레이크 합성 및 특성평가

  • - Nb이 Mo 사이트에 도핑된 MoS2 결정을 합성하고 그 특성을 측정함.
  • - Nb이 Mo 사이트에 도핑된 MoS2 결정을 합성하고 그 특성을 측정함. Nb 도핑된 MoS2의 전하 타입이 홀 이라는 것을 확인하였고 온도에 따라 Nb 도핑된 MoS2의 홀 농도가 2~3 × 1019/cm3로 거의 일정함을 관찰함. 이는 Nb이 MoS2에 과도핑 되어서 이온 불순물 충돌이 포논 충돌보다 이동도에 더욱 큰 영향을 미친 것으로 설명됨.
  • - Nb 도핑된 MoS2의 소자로의 응용을 위하여 p-n homo-junction 소자를 제작하였고 게이트 전압에 따라서 정류 현상을 관찰함으로 도핑된 MoS2은 과도핑이 되어 있기 때문에 n-type과 p-type에 같은 금속을 컨택하여도 소자로서 응용이 가능해짐을 밝힘.

그림 6. Nb-doped MoS2 p-n 접합 소자 특성

연구진

  • 김형준 검색

    책임연구원

    mbeqd@kist.re.kr

    스핀트로닉스 소자용 반도체 에피택셜 성장

  • 이현정

    책임연구원

    hjungyi@kist.re.kr

    휴먼인터페이스 소자 및 센서, 나노바이오 소재 ..

  • 구현철 검색

    책임연구원

    hckoo@kist.re.kr

    스핀트랜지스터, 스핀메모리, 나노소자

  • 김희중 검색

    책임연구원

    hijkim@kist.re.kr

    재료공학 ; 박막자기소자 ; 스핀트로닉스 ; 정보..

  • 민병철 검색

    책임연구원

    min@kist.re.kr

    스핀트로닉스

  • 한석희 검색

    책임연구원

    sukhan@kist.re.kr

    금속공학 ; 자성박막 ; 스핀트로닉스

  • 김경환

    선임연구원

    kwk@kist.re.kr

    스핀트로닉스 이론

  • 류혜진

    선임연구원

    hryu@kist.re.kr

    이차원 물질

  • 박태언

    선임연구원

    tepark@kist.re.kr

    나노소재기반 나노소자

  • 이기영 검색

    선임연구원

    kylee80@kist.re.kr

    유무기 나노재료, 나노 바이오 소자, 유기물 응용..

  • 이억재 검색

    선임연구원

    ojlee@kist.re.kr

    Spin based electronic devices, High frequency..

  • 최준우 검색

    선임연구원

    junwoo@kist.re.kr

    Spintronics

  • 홍석민

    선임연구원

    shong@kist.re.kr

    양자수송, 스핀소자, 물리전자/모델링, 양자컴퓨팅

  • 장차운 검색

    연구원

    cujang@kist.re.kr

  • 강태형

    Post-Doc

    t14829@kist.re.kr

  • 김선호

    Post-Doc

    sunhokim@kist.re.kr

  • 김웅연

    Post-Doc

    wkim@kist.re.kr

  • 송경미

    Post-Doc

    kmsong@kist.re.kr

  • 한동수

    Post-Doc

    dshan@kist.re.kr

  • 박윤호

    인턴

    redsky177@kist.re.kr

  • 이상엽

    인턴

    sang_lee@kist.re.kr