일반기술

강자성체를 이용한 스핀 트랜지스터

스핀 트랜지스터는 저전력 고속 소자에 적용할 수 있다. 기존의 반도체를 기반으로 하는 트랜지스터는 반도체 내의 전하를 전기장을 이용하여 제어하는데 비해 스핀 트랜지스터(Spin-FET)는 전하와 스핀을 동시에 제어하는 것으로 이러한 스핀 분극된 전하의 제어를 통해 스위칭 소자 및 논리회로 등에 이용할 수 있다. 이러한 스핀 트랜지스터의 핵심은 얼마나 큰 효율로 잡음이 없이 강자성체에서 반도체로 스핀 분극된 전자(spin-polarized electron)를 주입시키는가에 있다. 이차원 전자가스층 내에서는 채널을 지나가는 전자의 웨이브 벡터(k)와 수직한 전계(E)가 존재하면 스핀-궤도결합(spin-orbit coupling)에 의해 자장이 HRashba∝k×E 와 같이 발생한다. 이를 Rashba 효과라고도 하며 전류가 x 방향으로 진행하고 게이트 전압에 의해 전계가 z 방향으로 가해지면 y 방향으로 스핀궤도 결합효과로 유도된 자장이 생긴다. 이 자장에 의해 주입된 스핀은 프리세션(precession)을 일으키며 프리세션 각도를 게이트로 제어하는 것이 스핀 트랜지스터의 원리이다. 그 중 효율적인 스핀의 주입과 전달은 이 소자의 핵심이라 할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 기술은 화합물 반도체 기판, 이차원전자가스구조, 강자성체, 금속막 등으로 이루어져 있으면 이차원 전자가스 구조는 다양한 구현방법이 있으나 여기서는 InAs 채널을 이용한 구조로 설명한다. InAs 채널(1은 도핑이 되지 않은 In0.53Ga0.47As와 In0.52Al0.48As으로 이루어진 이중 크레딩 층에 의해 전하가 갇혀 높은 전자 이동도를 갖는 이차원 전자가스 층을 이루게 된다. 이차원 전자가스 층에 전하를 공급하는 전하공급 층은 그 아래 존재하며 버퍼 층을 이용해 InP 기판과 이차원 전자가스층에 격자 불일치 현상을 막을 수 있다. 본 기술에서는 밀링을 통해 배리어의 폭을 줄이는 방법을 사용하고 있다. 강자성체와 InAs 채널사이의 InAlAs 층은 모두 제거하고 InGaAs 층은 일부 또는 전체를 제거하여 원활한 스핀 전달을 할 수 있다.