차세대 메모리(MRAM)의 숨겨진 물리 현상 규명
초박막 산화마그네슘 반도체층에 의한 비대칭 교환결합력 측정

김영근 교수팀 연구결과 네이처 커뮤니케이션스 실려

▲ 신소재공학부 김영근 교수(왼쪽, 교신저자)과 김태현 박사과정생(오른쪽, 제1저자)

공과대학 신소재공학부 김영근 교수 연구팀이 차세대 자기메모리(MRAM) 개발과 구동 원리를 이해하는데 필수적인 비대칭 교환결합력을 측정하고 그 원인을 밝혀냈다. 비대칭 교환결합력이란 비자성 박막과 자성 박막의 접합구조에서 나타나는 스핀 현상이다.

자기메모리(MRAM)는 다층의 자성 박막을 이용하여 정보를 저장하고 처리하는 메모리 소자로서 전원을 꺼도 정보를 기억하는 비휘발성 특성이 있으며, 최근 스핀전달토크(spin transfer torque, STT) 기록 방식의 MRAM이 상용화되었다. 차세대 MRAM 경우, 스핀궤도토크(spin-orbit torque, SOT)를 이용하는 방식이 동작 속도와 에너지 효율 측면에서 유리할 것으로 기대되어 세계 곳곳에서 경쟁적으로 개발하고 있다. 

스핀전달토크의 구동속도와 스위칭 전류밀도는 비대칭 교환결합력의 크기와 방향에 따라 크게 영향을 받는 것으로 알려져, 비대칭 교환결합력이 발생하는 원리를 이해하는 것이 중요하다. 그러나 스핀궤도토크의 경우, 비대칭 교환결합력의 크기와 방향이 스위칭에 미치는 영향이 거의 알려진 바 없어 추가적인 연구가 필요하다.

스핀-궤도 상호작용이 강한 금속층과 자성층 사이에 수 나노미터 두께의 초박막 산화물 계면층을 넣어주면 두께에 따라 비대칭 교환결합력의 세기가 진동하는 현상을 발견했다. 이는 초박막 산화물의 반도체적 특성 변화에 의한 것임을 확인했으며, 산화물 계면층의 밴드갭 에너지에 따른 비대칭 교환결합력의 변화를 이론적으로 규명했다.

* 자기메모리: 데이터 처리 속도가 빠르고 전원이 공급되지 않는 상황에서도 저장된 정보를 유지할 수 있는 소자
* 비대칭 교환결합력(Dzyaloshinskii-Moriya interaction, DMI): 스핀 간 비대칭적 결합을 선호하는 양자역학적 상호작용

이에 따라 계면 산화층의 두께에 따른 비대칭 교환결합력의 세기를 측정하고 이론적으로 규명하여 스핀-궤도결합 원리 규명에 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 원천기술개발사업(미래소재디스커버리사업) 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 6월 2일 오후 7시(한국시간) 게재됐다.
* 논문명 : Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-type interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction in heavy metal/ferromagnet heterostructures
* 저자 : 김영근 교수(교신저자/고려대학교) 김태현 (제1저자, 고려대학교), 차인호 (공동저자, 고려대학교), 김용진 (공동저자, 고려대학교), 김규원 (공동저자, 고려대학교), 안드레이 스타시케비치 (Andrey Stashkevich) (공동저자, Université Sorbonne Paris Nord), 이비스 루시네 (Yves Roussigné) (공동저자, Université Sorbonne Paris Nord), 모하메드 벨메구에나이 (Mohamed Belmeguenai) (공동저자, Université Sorbonne Paris Nord), 살림 [바른말 고운말을 사용합시다.]프 (Salim M. Chérif) (공동저자, Université Sorbonne Paris Nord), 알렉산더 사마닥 (Alexander Samardak) (공동저자, Far Eastern Federal University)
 

[ 용 어 설 명 ]


1. RF 스퍼터링 기법
  ○ 부도체를 스퍼터링 할 때 사용하는 기법으로 부도체 재료에 가하는 파워를 직류가 아닌 교류 고주파인 RF(radio frequency)로 가해 박막 표면에 쌓이게 되는 이온을 제거하고 플라스마와의 전기적 단절을 막아 스퍼터링 증착을 가능하게 하는 기술이다.

2. 자기메모리
  ○ 지속적으로 증가하는 메모리 면적 요구와 집적화를 해결하기 위해 주목받고 있는 차세대 메모리 소자 중 하나로, 자성 박막을 이용하여 정보를 저장하는 메모리 소자로써 데이터 처리 속도가 빠르며 전원이 공급되지 않는 상황에서도 저장된 정보를 유지할 수 있다.

3. 비대칭 교환결합력 (Dzyaloshinskii-Moriya interaction, DMI) 
  ○ 스핀 간 비대칭적 결합을 선호하는 양자역학적 상호작용으로 스핀궤도결합의 세기에 따라 결정된다.

[ 그 림 설 명 ]


(그림 1) 산화마그네슘 두께에 따른 자기이방성과 비대칭 교환결합력의 변화
두께를 달리한 산화마그네슘 층을 비자성층/강자성층 사이에 넣은 경우, (a) 수직 방향, (b) 수평 방향으로의 자기이방성과 (c) 산화마그네슘 두께에 따른 비대칭 교환결합력.
제공 : 고려대학교 김영근 교수 


(그림 2) 산화 마그네슘 두께에 따른 스핀 특성 모식도
(a) 중금속(HM)과 강자성(FM) 사이 산화마그네슘의 두께에 따른 스핀의 정렬 방향을 나타내는 모식도
(b) 이론적으로 계산한 MgO 두께에 따른 비대칭 교환결합력으로 실험 결과와 합치하는 결과,
(c) 계산할 때 사용하는 상수에 따라 위상이 변화될 수 있음을 나타내는 이론 계산 결과,
(d) 산화마그네슘보다 더 작은 밴드갭을 갖는 금속 층을 활용했을 때 비대칭 교환결합력 이론 계산 결과