본 연구가 지향하는 궁극적인 목표는, 자유전자의 전하 수송에 기반한 기존 자기메모리(MRAM)가 가지는 줄(Joule) 발열 및 공정상의 한계를 극복할 수 있는 새로운 패러다임의 매그논(magnon) 기반 MRAM을 구현하는 것 입니다. 이를 위해 본 연구에서는, 매그논-MRAM의 기본 단위소자인 ‘매그논 밸브(magnon valve)’의 구조 및 성능을 위상 소재와 교환결합이라는 획기적인 접근법을 적용하여 상용화 수준까지 향상시키는 것을 목표로 연구를 수행하고자 합니다.

4차 산업혁명 시대를 맞아 데이터 양이 폭증하는 가운데, 기존 HDD/SSD와 DRAM/SRAM의 특징을 함께 가지는 storage class memory(SCM) 기술이 각광받고 있습니다. 현재 개발 중인 다양한 SCM 기술 가운데, 삼성전자에서는 2019년 3월에 STT-MRAM의 상용화에 성공하였습니다. 하지만, 이러한 STT-MRAM은 전하 전류를 활용한 쓰기 및 읽기에 기반하므로 Joule 발열에 의해 전력소모가 크고 내구성이 저하되는 이슈를 가지고 있습니다. 또한, 원자 수준의 정밀한 두께 제어가 필수적인 tunnel barrier가 반드시 필요한 소자구조로 인해, 생산 공정과정에서 shunting 등 reliability 이슈가 빈번하게 발생하는 단점을 가집니다. 이러한 단점들로 인해, 기존 MRAM의 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 패러다임의 메모리 개발에 대한 요구가 커지고 있습니다.

만약 자유전자 대신, 자성체 내 국지화된(localized) 전자들에 의한 스핀 파동인 매그논의 수송과 전기 절연체를 활용하여 정보를 전달하면 전자의 이동이 불필요하게 되므로 Joule 발열에 의한 에너지 소실을 획기적으로 줄일 수 있습니다 (그림 1). 이러한 매그논 기반 MRAM 소자에는 기존 MRAM 소자 구조에 반드시 필요한 원자 두께의 tunnel barrier 대신 수 nm 두께의 반강자성체 물질 기반 spacer를 사용할 수 있게 되어, 초박막 tunnel barrier 사용으로 인해 발생하던 심각한 문제들 (소자 공정 시 edge에서의 shunting으로 인한 소자 failure, tunnel barrier의 breakdown 이슈 등)을 효과적으로 해결할 수 있습니다. 이렇듯 기존 MRAM의 한계를 뛰어넘을 수 있는 매그논-MRAM의 성공적인 개발을 위해서는, 메모리 구현을 위한 기본 단위(cell)소자인 고성능 ‘매그논 밸브’의 개발이 반드시 선행되어야 합니다.

그림 1. 자유 전자 기반 메모리와 매그논(magnon) 기반 메모리 비교.

매그논 밸브는 On/Off 스위칭 기능을 수행할 수 있는 메모리 구현을 위한 기본 단위소자로, ‘자성층/배리어층/자성층/스핀탐지층’의 다층구조로 구현 가능합니다. 자성층에서 생성된 스핀(매그논) 전류가 인접한 스핀탐지층으로 펌핑된 후, 역 스핀-홀 효과(inverse spin-Hall effect)에 의해 전압으로 출력되는 원리를 바탕으로 합니다. On/Off 신호 구현의 경우, 기존 MRAM에 사용되는 스핀 밸브가 두 자성층 간 상대적인 스핀 배열에 따라 전기저항이 변하는 정도를 이용한 반면, 매그논 밸브는 역 스핀-홀 효과에 의한 출력전압이 변하는 정도를 이용합니다. 기존 proof-of-concept 수준의 매그논 밸브는 작은 전압신호, 낮은 On/Off 전환비율 및 모호한 On/Off 경계 등의 한계로 인해 상용화와는 거리가 먼 상황입니다.

이에 본 연구팀은 스핀탐지층에 거대 역 스핀-홀 효과를 가지는 위상 소재를 적용하는 연구를 통해 출력전압신호 크기를 향상시키는 방법을 제안하고, 페리자성절연체와 반강자성체간 교환결합을 최초로 구현하고 자성층에서의 매그논 전류를 제어하는 연구를 통해 보다 명확한 On/Off 신호를 확보하는 방법을 제안하고자 합니다. 본 연구를 성공적으로 수행한다면, 매그논 밸브의 구조 및 성능을 실용화 수준까지 향상시킴으로써, 매그논 기반 차세대 메모리 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다.