CrSBr 스핀 트랜지스터, NV 양자 현미경으로 자화·전류 연동 거동 규명

폰 노이만 병목과 스핀트로닉스의 필요성

현대 프로세서는 연산 노드와 메모리 노드 사이에서 데이터를 끊임없이 이동시켜야 하는 구조적 제약을 안고 있다. 이른바 '폰 노이만 병목'으로 불리는 이 구조는 AI 추론처럼 대규모 매개변수를 다루는 작업에서 속도와 전력 효율을 동시에 떨어뜨린다. 스핀트로닉스는 전자의 스핀(고유 자기 방향)을 정보 처리에 활용함으로써 이 문제를 우회하려는 접근법이다. 핵심 목표는 메모리 비트와 논리 스위치 기능을 단일 소자에 통합한 '스핀 트랜지스터'를 실현하는 것이다.

단일 결정 아키텍처: 이종 접합 없는 스핀 트랜지스터

기존 스핀 트랜지스터 연구는 자성 재료와 반도체를 별도로 접합해야 했기 때문에 계면 손실이 불가피했다. 이번 연구에서는 자성과 반도체 특성을 동시에 가진 반데르발스 결정 CrSBr(크로뮴 황화 브롬화물)을 단독 소재로 사용했다. 프라하 화학기술대학교의 재료 합성 전문가 Zdeněk Sofer가 결정 합성에 참여했다.

소자 구조는 두 원자층 두께의 CrSBr에 상부층과 하부층 각각에 전극을 횡방향으로 분리 배치한 형태다. 전류가 두 자성층 사이를 가로질러 흐르도록 강제하는 이 설계 덕분에, 인근 게이트 전극의 전압을 바꾸거나 두 CrSBr 층의 자화 방향(평행/반평행)을 전환하는 방식으로 소자를 독립적으로 스위칭할 수 있다.

NV 센터 양자 현미경으로 본 자화-전도 상관

연구팀은 전기 측정과 함께 주사형 NV 센터 자기공명 현미경을 활용해 소자 내부를 분석했다. NV 센터는 다이아몬드 결정 속 단원자 결함으로, 주변 자기장 변화를 자기공명 신호 변화로 변환한다. 이 기법은 나노미터 분해능으로 국소 자기장 분포를 지도화할 수 있어, 자화의 공간적 변화가 소자 전도도를 어떻게 바꾸는지, 또 게이트 전압이 자성층의 정렬 상태를 어떻게 전환하는지를 직접 영상화하는 데 쓰였다.

공간전하 제한 전도와 소자 성능

성능 향상의 핵심 기제는 '공간전하 제한(space-charge-limited)' 전도 영역에 있다. 이 영역에서는 소재 내부에 쌓인 전하들의 상호 반발이 전류-전압 관계를 선형(옴적)에서 거듭제곱 법칙으로 바꾼다. 이 비선형 관계 덕분에 전도도를 넓은 범위에 걸쳐 급격히 조절할 수 있다. 논문의 제1저자인 대학원생 Thomas K. M. Graham에 따르면, 전기적 ON/OFF 비율은 1,000,000%, 자기적 ON/OFF 비율은 3,000%에 달해 기존 스핀 트랜지스터 연구를 상회한다.

의미와 남은 과제

단일 소자에 비휘발성 메모리와 논리 스위치를 통합하면, 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 '즉시 구동(instant-on)' 프로세서나 제조 후 재프로그래밍 가능한 회로를 구현할 수 있다. 다만 현재 시연은 실험실 수준의 소자에 국한된다. Zhou 교수는 상용화를 위해서는 나노스케일 영상 기법의 발전과 자기 상태의 전기적 제어 정밀도를 높이는 추가 연구가 필요하다고 밝혔다. CrSBr 단결정의 대면적 성장과 소자 균일성 확보도 향후 풀어야 할 공학적 과제다.