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Research

DGIST, 고효율 차세대 반도체 기술을 선도할 밸리트로닉스 핵심 이론 발견해

  • 조회. 321
  • 등록일. 2019.06.17
  • 작성자. 홍보팀

DGIST, 고효율 차세대 반도체 기술을 선도할 밸리트로닉스 핵심 이론 발견해
- DGIST 신물질과학전공 이재동 교수팀, 밸리 도메인 형성으로 특이전류 구현 및 제어 메커니즘 제시
- 밸리 도메인, 이차원 반도체 기술의 새로운 킬러 콘텐츠 될 것

△DGIST신물질과학전공 이재동 교수(좌), 제1저자 김영재 석박사통합과정 학생(우)

 

 차세대 반도체 기술 중 하나로 각광받고 있는 벨리트로닉스 기술 구현을 확장할 수 있는 이론을 DGIST 연구진이 발견했다. 이는 기존의 데이터 처리속도를 뛰어넘는 차세대 자성 신기술인 밸리트로닉스 기술 개발을 한 차원 도약시킬 것으로 기대된다.

 DGIST(총장 국양)는 신물질과학전공 이재동 교수 연구팀이 차세대 반도체의 성능에 기여할 밸리 도메인1) 형성과 이에 따른 특이 전류 구현 및 제어 메커니즘을 발견했다고 17일(월) 밝혔다. 이번 연구는 밸리 도메인과 전류, 서로 다른 두 물리량의 상호 관계성을 발견 및 응용한 것으로써 큰 의미를 가진다.

 밸리(Valley)는 전자의 파동에 의해 발생하는 진동에너지의 꼭짓점 영역이며 밸리 스핀으로도 불린다. 이 밸리들을 결정하는 양자수를 이용해 정보를 저장 및 활용하는 방식이 밸리트로닉스인데, 기존의 전하나 스핀을 제어하는 기술을 뛰어넘어 양자 정보의 저장이 가능하기 때문에 미래 전자소자 및 양자 컴퓨팅 기술에 응용될 수 있다. 또한 차세대 반도체공학분야인 스핀트로닉스와 나노일렉트로닉스를 아우르는 무궁무진한 가능성을 가지고 있어, 현재 많은 연구자들이 밸리를 제어하려는 연구를 하고 있다. 하지만 밸리의 안정성과 충분한 양적 확보 문제가 어려워 본격적인 활용 가능성이 높지 않은 실정이다.

 이재동 교수팀은 이번 연구를 통해 차세대 반도체 소재로 각광받는 이차원 단층 물질인 이황화몰리브덴에서의 밸리 도메인의 형성을 발견하여 밸리 스핀의 안정성 문제를 일거에 해결했다. 밸리 도메인이란 물질 내부에서의 전자들이 같은 밸리 운동량을 가진 영역으로 정의된다. 이를 통해  이차원 단층 물질에서 구현된 밸리 도메인이 극한적인 나노구조에서 스핀을 대신할 정보저장매개로서 활용될 수 있음을 규명했다.

 더 나아가, 밸리 도메인의 크기를 제어해 ‘특이가로전류’(anomalous transverse current)를 발생시킬 수 있음을 발견하였다. 특이가로전류란 도메인 벽2)의 이동으로 인해 필연적으로 발생하며, 밸리 도메인의 움직임에 따라 항상 한 방향으로만 흐르는 전류이다. 이를 통해 이종접합이라는 기존의 반도체 다이오드3)의 방식과 구조를 탈피한 단순한 형태의 단일물질 이차원 나노구조의 다이오드 메커니즘 제안과 활용 가능성도 보여줬다. 

 DGIST 신물질과학전공 이재동 교수는 “이번 연구를 통해 밸리 자성과 전기 신호 제어라는 동떨어진 두 현상을 단층 단결정 물질에서 동시에 활용할 수 있는 밸리트로닉스의 핵심 이론을 발견했다”면서 “밸리트로닉스 연구가 더욱 고차원적으로 응용이 가능해 저전력, 초고속 정보저장성 플랫폼의 발전을 더욱 앞당길 수 있기를 기대한다.”고 말했다.

 한편, 이번 연구 결과는 DGIST 신물질과학전공 김영재 석박사통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 나노 과학·기술 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 22일 온라인판에 게재됐다.

 

1) 밸리 도메인(Valley Domain) : 물질 내부에서 전자들이 같은 밸리 운동량을 가진 영역으로, 제어를 통한 이차원 정보저장 소자로의 응용이 가능하다.
2) 도메인 벽(Domain wall) : 물질 내부에서 다른 자기적, 전기적, 광학적 특성을 가진 영역을 분리하는 매우 얇은 전이 구역. 매우 작으며 움직일 수 있기 때문에 차세대 전자기술에 매우 유망함.
3) 다이오드(Diode) : 외부의 전압에 대해서 전류를 한 방향으로만 흐르도록 제어하는 반도체 소자. 정류, 발광 등의 특성을 지님


   연구결과개요   

Anomalous electron dynamics induced through the valley magnetic domain: a pathway to the valleytronic current processing
Youngjae Kim and J.D. Lee*
(Department of Emerging Materials Science, Published on 22 May, 2019)

  이차원 단층의 육각형 이중격자인 이황화몰리브덴의 반도체 밴드구조에서는 서로 다른 두 종류의 밴드 끝(band edge)이 존재한다. 두 밴드 끝들은 각각 K와 –K 밸리(valley)로 불려지며 고유한 베리 곡률의 부호를 가지고 있어서 유사 스핀으로 취급할 수 있다. 전자가 도핑된 이황화몰리브덴의 나노 리본구조에 전압과 전압의 방향에 수직한 미세한 스트레인 변형을 동시에 인가하면, K와 –K 밸리 전자들이 반대 서로 방향으로 멀어지는 밸리 홀 효과(valley Hall effect)와 하나의 밸리가 물질 전체를 점유하려는 밸리 자기전기 효과(valley magnetoelectric effect)간의 경쟁 상태를 유도해낼 수 있다. 이 두 효과의 경쟁하에서 물질은 K와 –K 전자들이 각각 밸리 도메인을 형성하며, 이 두 도메인의 경계인 도메인 벽은 스트레인 변형의 크기와 방향에 따라 제어될 수 있다. 또한, 이 도메인 벽의 이동이 발생하면 ‘특이 가로 전류(anomalous transverse current)’가 발생되는 것을 발견하였다. 이 때, 이 특이 가로 전류의 방향은 외부 전압의 방향에 관계없이 항상 한 방향으로만 흐르는 단방향적 유일성(unidirectionality)이 존재하며 다이오드 기능성을 가지고 있는 것으로 확인하였다. 이 다이오드 기능성은 전기장의 진동인 장파장 레이저 빛에 대해서도 유효함이 확인되며, 그 결과 이차원 단층 단결정 물질의 밸리 도메인을 테라헤르츠 (terahertz) 다이오드로, 나아가 그 집적된 조합은 초고속 정보저장 플랫폼으로 활용할 수 있음을 보였다.


   연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
그 동안 자성체의 스핀이 이루는 도메인에 대한 연구는 많이 이루어져 왔으나, 밸리 도메인은 아무도 생각하지 못했던 개념이다. 이번 연구에서는 이차원 구조에서 밸리 도메인의 형성 및 제어가 가능하다는 점을 발견하였고, 이 밸리 도메인을 통하여 직접적인 전기적 신호인 전류의 제어도 가능함을 발견하였다. 밸리 도메인과 전자공학이 결합되어 더욱 고차원적인 밸리트로닉스가 현실화될 가능성이 높아졌다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
밸리 도메인의 제어에 의해 발생되는 ‘특이 가로 전류’를 활용하여, 지금까지와 전혀 다른 개념의 저전력, 초고속 정보저장성 플랫폼을 제공할 수 있다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간 및 과제는?
복잡한 이종물질간 접합이 필요없이 이황화몰리브덴 단결정을 활용한다는 구조적 단순성에서 실용화에 유리할 것으로 생각한다. 게다가 이황화몰리브덴의 경우 우수한 이차원적 안정성과 뛰어난 반도체특성을 지니고 있기도 하다. 앞으로는 자유로운 스트레인-변형을 인가할 수 있는 실험적 소자기술을 확보해야 할 것으로 생각한다. 다만, 이차원 극한 나노구조를 통한 고도 집적화에 산업 및 과학계의 관심이 큰 만큼 빠른 진전이 있을 것으로 보고 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
밸리 스핀이 기존엔 스핀의 아류 물리량 정도로 여겨져 왔으나, 최근 이차원의 극한 나노구조에서 불안정한 스핀 등의 단점을 극복할 차세대 대안으로서 밸리 스핀은 활발히 연구되어지고 있다. 이차원 나노구조에서 안정적인 도메인 형성과 그 제어, 그리고 그에 대응되는 전류제어까지 모두를 아우르는 하나의 출발점엔 밸리 스핀이 있을 것이라는 생각으로 연구를 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
밸리 도메인을 활용하면 벨리트로닉스의 본격적 구현을 가로 막는 여러 어려움을 일거에 거의 해결할 수 있어서, 더욱 고차원적인 확장과 응용의 가능성을 제시할 수 있었다는 점에서 의미가 있다. 또한 밸리 도메인이라는 새로운 개념적 제안을 통해 원자두께 수준의 이차원 나노구조에서 실현 및 응용할 수 있는 도메인을 발견하였다는 점을 시사한다. 또한 이 밸리 도메인은 기존 도메인(예를 들어 기존의 스핀 자성 도메인)구조에서는 볼 수 없었던 특이가로전류를 흘려보낸다는 점과 이 특이가로전류는 단방향적 유일성을 가진다는 점 등도 중요하다. 이는 밸리 도메인 자체가 이차원 정보저장매개로의 활용 가능성을 가질 수 있음과 동시에 전자공학적으로 이용성이 높은 다이오드 특성으로도 활용할 수 있다는 점이 중요하다. 

Q. 향후 목표는?
아직은 밸리트로닉스 연구 분야가 초창기이기에 조금만 상상력을 발휘해도 더욱 많은 것을 시도할 수 있다. 이번에 연구된 밸리 도메인-전류 결합뿐 아니라, 밸리 도메인-도메인 결합, 심지어는 밸리 도메인-도메인-전류와 같은 삼중결합까지 가능할 수 있을 것으로 보고 추가 연구를 진행하고자 한다.


   그림 설명   
[그림 1] 이차원 단층 물질인 이황화몰리브덴에서 밸리 도메인의 형성과 그에 따른 전류 신호 제어에 관한 모식도


그림설명 : 이황화몰리브덴에 스트레인 변형을 가하여 도메인 벽의 위치를 제어할 수 있으며, 도메인 벽의 위치에 따라 방향과 크기가 달라지는 ‘특이 가로 전류’가 발생되는 모습을 나타내고 있다.

[그림 2] 스트레인 변형에 의한 밸리 도메인 제어와 특이 가로 전류 발생 모식도


그림설명 : 
(그림1) 스트레인 변형과 전압을 인가하면 이황하몰리브덴 나노구조에서 밸리 도메인을 형성, 제어할 수 있다. 
(그림2) 밸리 도메인의 이동은 전압의 방향에 수직인 ‘특이 가로 전류’를 발생시킨다. 
(그림3) 밸리 도메인의 위치와 ‘특이 가로 전류’와의 특성 관계.


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