2차원 양자소재 기반 스핀 메모리, 전력 소모 3분의 1로 줄인다

KIST-숭실대 연구진, 강자성체-강유전체 적층구조 반도체 소자 최초 개발

전자의 스핀 특성을 이용한 스핀 메모리는 생성 AI 등 대용량 정보 처리를 위한 차세대 메모리로 주목받고 있다. 원자 두께의 이차원 양자소재를 스핀 메모리에 활용하면 신호비 향상, 전력 감소 등 성능 향상이 기대되는데, 이를 위해선 전류나 전압과 같은 전기적 방법으로 양자소재의 물성을 제어하는 기술 개발이 필요하다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 스핀융합연구단 최준우 박사와 숭실대 물리학과 박세영 교수 공동 연구팀이 양자소재로 초저전력 메모리를 제작할 수 있다는 연구 결과를 내놓았다고 8일 밝혔다.

이차원 물질 적층 구조의 양자소재 반도체 소자에 전압을 가하면 전자의 스핀 정보를 효과적으로 제어함으로써 초저전력으로 정보를 읽고 쓰는 것이 가능하다는 것이다.

대표적 양자소재인 이차원 물질은 삼차원의 입체 구조를 갖는 일반 물질과는 달리 평면 형태의 단일 원자층으로 쉽게 분리할 수 있으며, 이에 따라 특수한 양자역학적 특성들이 나타난다.

연구진은 두 가지 다른 특성을 가진 양자소재를 결합시킨 이차원 강자성체-강유전체 적층 구조 반도체 소자를 처음 개발했다. 이차원 강자성체(Fe₃-xGeTe₂)와 이차원 강유전체(In₂Se₃)의 적층 구조 소자에 5V 정도의 낮은 전압을 걸었을 때, 강자성체의 스핀 방향을 바꿔주는데 필요한 자기장 즉, 보자력을 70% 이상 감소시킬 수 있었다.

또 연구진은 전압을 걸었을 때 일어나는 이차원 강유전체의 구조적 변화가 인접한 이차원 강자성체의 스핀 특성 변화를 이끌어내는 것을 밝혔다. 전압에 따라 이차원 강유전체의 격자가 팽창해 강자성체의 자기이방성이 변화하고 스핀의 방향을 바꿔주는데 필요한 보자력이 크게 감소했다.

이는 양자소재 적층 구조 소자에 매우 작은 전압을 가해주면 3분의 1 수준의 자기장으로도 전자의 스핀 정보 제어가 가능하다는 의미다. 양자소재 기반 초저전력 스핀 메모리 개발을 위한 핵심 기술이 되리란 기대다.

KIST 최준우 박사는 "양자소재를 활용한 초저전력 차세대 메모리 핵심 요소 기술을 확보해 최근 흔들리는 반도체 산업에서 기술 우위와 경쟁력을 유지할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 KIST 주요사업, 중견연구지원사업, 선도연구센터지원사업, 나노소재기술개발사업, 신진연구지원사업, 대학중점연구소지원사업)으로 수행됐다. 

학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐으며, 논문 제목은 Voltage control of magnetism in Fe₃-xGeTe₂/In₂Se₃ van der Waals ferromagnetic/ferroelectric heterostructures 이다.