[전기,전자] 강자성 나노컨택 소자를 이용한 밀리미터파 발진

일본 산업기술총합연구소 나노스핀트로닉스연구센터 연구팀은 강자성 나노컨택[주1] 소자에 직류전류를 흘려 5~150GHz의 발진이 가능하다는 것을 이론적으로 증명하였다. 종래의 거대 자기저항 소자나 강자성 터널접합 소자를 이용한 발진에서는 발진 주파수가 낮아 밀리미터파(30~300GHz)의 발진이 필요한 레이저 등에는 응용하기 어려운 것으로 지적되어 왔다. 그러나 강자성 나노컨택 소자에 전류를 흘릴 때 유기되는 스핀 세차운동을 연구팀이 개발한 시뮬레이터를 이용하여 해석한 결과, 강자성 나노컨택 소자에 흐르는 전류를 변화시키면 마이크로파에서 밀리미터파 영역의 전류제어형 발진소자로서 거동하는 것으로 예측되었다. 이와 같은 강자성 나노컨택 소자가 실현된다면 차세대 무선통신기술이나 센서 기술 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

최근 극미세 가공기술의 빠른 진보에 따라 강자성체를 이용한 나노미터 사이즈의 소자 제작이 가능해졌다. 전자가 가지는 전하로서의 성질과 함께 자석으로서의 성질을 나타내는 스핀을 적극적으로 이용한 스핀트로닉스 소자가 개발 및 실용화되고 있다. 스핀트로닉스 소자의 대표적인 예로서 거대 자기저항 소자나 강자성 터널접합소자 등이 있다. 이들 소자는 하드디스크의 재생헤드나 자기저항 메모리 등에 이용되고 있으며, 대용량이면서 고속 정보기록 기술 분야의 핵심 기술 중 하나이다.
정보기록 기술 분야 이외에도, 자성체 내부의 스핀이 마이크로파에 대응하는 주파수로 진동하는 세차운동[주2]을 이용한 발진, 수신소자 등도 개발되고 있다. 발진, 수신소자가 나노미터 사이즈가 되면 이전보다 고공간분해능, 고감도 등의 특성을 기대할 수 있기 때문에 고주파 기술분야에 응용하거나, 미세소자 사이의 무선통신 등이 가능할 것으로 기대된다. 그러나 거대 자기저항 소자나 강자성 터널접합 소자를 이용한 발진은 발진주파수가 수십 GHz 정도로 낮기 때문에, 밀리미터파의 발진 주파수가 필요한 센서나 레이더 등에 응용하기는 어렵다. 또한 무선통신기술에 응용하기에는 제어가 가능한 주파수범위가 너무 좁다는 문제가 지적되어 왔다.

연구팀은 지금까지 고성능 강자성 터널접합의 고주파 기술 적용을 목표로 연구개발을 수행해 왔으며, 고성능 강자성 터널접합이 고주파 신호를 복조하는 다이오드로서 기능한다는 것을 발견하고, 이 효과를 이용하여 스핀트로닉스 소자의 동작을 정밀하게 평가하는 방법을 개발한 바 있다. 또한 기존의 거대 자기저항 소자의 100배 이상의 발진 출력을 실현하는 등의 성과를 발표해왔다.
이번에 연구팀이 시뮬레이션에 이용한 강자성 나노컨택은 측면이 절연체로 둘러싸인 한 변이 4나노미터인 입방체이며, 상하는 강자성체인 금속 전극의 샌드위치 구조를 하고 있다. 위쪽의 강자성체 전극(고정층)의 스핀은 한 쪽 방향으로 고정되어 있으며, 아래쪽 강자성체 전극(자유층)의 스핀은 자유롭게 운동할 수 있다. 외부 자장을 인가하여 자유층과 고정층의 자화 방향을 반평행 상태로 만들면 강자성 나노컨택 내부에 자벽이라고 불리는 스핀구조를 차폐할 수 있다. 이 상태에서 고정측 쪽에서 전자를 주입하면 스핀의 방향이 일정한 전류(스핀전류)가 나노컨택 내부를 흐르기 때문에 스핀토크[주3]에 의해 나노컨택 내부의 스핀이 회전운동을 시작한다. 따라서 강자성 나노컨택과 접하는 자유층에 스핀파[주4]가 발생한다.

시뮬레이션에 의해 얻은 스핀파의 발진 주파수의 전류의존성은 특징적으로 3개의 영역으로 나뉜다. 스핀파의 공간적인 확장 정도가 영역 A와 C에서는 자유층 전체에 확장되는데 비해, 영역 B에서는 나노컨택과 근접한 곳에 국재화된다. 따라서 영역 A, C의 발진에서는 자유층의 성질에 의해 발진주파수가 결정되는데 비해, 영역 B의 발진에서는 나노컨택에 차폐된 자벽의 세차운동에 의해 발진주파수가 결정된다는 사실을 발견하였다. 나노컨택 내부의 자벽 구조는 나노컨택을 흐르는 스핀전류의 값에 따라 변하기 때문에 영역 B에서는 스핀전류밀도를 변화시켜 발진주파수를 5GHz~140GHz 범위에서 연속적으로 제어할 수 있다.

이러한 소자가 실현된다면 거대 자기저항 소자나 강자성 터널접합 소자를 이용하는 경우의 발진주파수의 한계를 타파하고 3차원 실장된 칩 사이의 고속 무선통신이나 밀리미터파를 이용한 나노 사이즈의 생체 센서 실현에 크게 기여할 것으로 기대된다. 앞으로 연구팀은 이번 이론연구에 기반한 고주파 발진소자를 실제로 제작, 평가하는 연구를 진행할 계획이다.

[주1] 강자성 나노컨택: 나노미터 사이즈의 금속 전극 접점을 보통 나노컨택이라고 부른다. 금속전극 접점이 강자성체인 경우, 이것을 강자성체 나노컨택이라고 한다.
[주2] 세차운동: 자성체 중의 스핀이 팽이와 같은 운동을 하는 것을 세차운동이라고 한다.
[주3] 스핀토크: 강자성체에 전류를 흘리면 전하와 함께 전자의 스핀이 이동하고, 흘러들어온 전자의 스핀으로부터 강자성체 스핀에 스핀각운동량이 전달된다. 그 결과, 강자성체의 스핀에 회전이 발생하고, 이 회전력을 스핀토크라고 부른다.
[주4] 스핀파: 자성 박막 위의 스핀이 세차운동을 일으킬 때 발생하는 파동.

(그림1) 강자성 나노컨택 소자의 모식도(왼쪽)와 고주파 영역의 발진거동(오른쪽)
(그림2) 발진주파수의 전류밀도 의존성. 특징적으로 3개의 영역 (A, B, C)로 분류됨.