첨단융합학부 광메카트로닉스전공 정세영 명예교수 연구팀은 백금 등 고가의 희귀 금속 대신 구리 산화물을 활용해 차세대 저전력 반도체에 적용 가능한 핵심 기술을 개발했다. 

연구팀은 구리(Cu)와 구리 산화물(Cu₂O)이 만나는 아주 얇은 경계면에서 전류를 자기(magnetic) 신호로 효율적으로 바꾸는 기술을 구현했다. 차세대 저전력 인공지능(AI) 반도체와 스핀트로닉스 소자의 핵심 기술로 주목받는 궤도-래시바*-에델슈타인** 효과(Orbital Rashba-Edelstein Effect, OREE)의 효율을 크게 높인 성과다.

* 래쉬바 효과: 구조적 비대칭성이 있는 계면이나 표면에서 전자가 움직일 때, 전자의 운동량과 스핀이 결합해 에너지 밴드의 스핀 분리가 발생하는 현상.

** 에델쉬타인 효과: 래쉬바 효과가 존재하는 계면에 전류를 흘리면 운동량 분포가 비대칭이 되면서 순 스핀 축적(net spin accumulation)이 발생하는 현상.

현재 차세대 메모리와 반도체 기술 분야에서는 전류를 이용해 정보를 저장하거나 바꾸는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 스핀트로닉스 메모리 및 로직 소자에서는 전류로 자석의 자화 방향을 제어하고, 이를 0과 1의 정보로 활용하는 스핀-궤도 토크*(Spin-Orbit Torque)가 핵심 동작 원리로 쓰인다.

* 궤도 토크: 전류에 의해 생성된 궤도 각운동량이 자성체의 자기모멘트와 상호작용해 자화를 전환시키는 현상.

이 기술은 빠르고 전력 소모가 적어 차세대 반도체의 유력한 후보로 꼽힌다. 하지만 지금까지는 백금이나 텅스텐처럼 비싸고 무거운 금속이 주로 사용돼 왔다. 이들 금속은 성능은 좋지만 가격이 높고 전력 소모와 발열 문제가 있었다. 

이와 달리, 연구팀은 산업 현장에서 쓰이는 구리를 활용했다. 구리는 전기가 잘 통하고 가격이 상대적으로 낮아 반도체 배선 등에 이미 널리 사용되고 있다.

연구팀은 원자 스퍼터링 에피택시(Atomic Sputtering Epitaxy, ASE) 기술을 이용해 세계 최고 수준의 단결정 구리 박막을 성장시킨 후, 그 표면을 정밀하게 산화시켜 결정성이 우수한 산화구리/구리 이종접합 구조를 제작했다. 구리와 산화구리가 만나는 경계면을 얼마나 깨끗하고 규칙적으로 만들 수 있는지가 중요했는데, 이 경계면의 결정성을 높이면 전류를 자기 제어 신호로 바꾸는 효율이 크게 향상됐기 때문이다.

그 결과, 이번에 만든 결정질 산화구리/구리 구조는 전류를 자기 제어 신호로 바꾸는 ‘궤도-래시바-에델슈타인 효과(OREE)’가 자연스럽게 산화된 구리보다 약 10배 향상됐다. 또한 이 과정에서 생성된 궤도 토크의 효율은 기존 스핀트로닉스 산업의 대표 소재인 백금 수준에 도달했다.

연구팀은 구리의 높은 전기전도도와 향상된 계면 효과가 결합되면서, 전류를 얼마나 효율적으로 자기 제어에 활용할 수 있는지를 보여주는 핵심 지표인 스핀 토크 전도도(Spin Torque Conductivity)가 세계 최고 수준에 도달했다고 설명했다. 이는 기존에 보고된 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect) 기반 소재, 궤도 홀 효과(Orbital Hall Effect) 기반 소재, 위상절연체 및 반데르발스 물질을 포함한 다양한 차세대 스핀트로닉스 소재들을 능가하는 성능이다. 앞으로 비싼 중금속을 쓰지 않고도 저전력 메모리와 AI 반도체를 만들 수 있는 가능성으로 점쳐진다. 

AI 반도체는 막대한 양의 데이터를 빠르게 처리해야 하기 때문에 전력 소모와 발열을 줄이는 것이 매우 중요하다. 이번 연구는 전기를 더 적게 쓰면서도 정보를 안정적으로 제어할 수 있는 새로운 길을 제시했다.

정세영 교수는 “이번 연구는 구리와 산화구리의 경계면을 정밀하게 제어하는 것만으로도 차세대 반도체에 필요한 성능을 크게 높일 수 있음을 보여줬다”며 “향후 저전력 스핀트로닉스 소자, AI 반도체, 차세대 메모리, 뉴로모픽 컴퓨팅 기술 개발에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

【왼쪽부터 정세영 교수, 김수재 박사】

이번 연구는 첨단융합학부 광메카트로닉스공학전공 및 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 정세영 교수가 교신저자, 단결정은행연구소 김수재 박사가 공동저자로 수행했으며, 카이스트 연구진과 공동으로 이뤄졌다. 연구 결과는 국제 학술지 『Advanced Materials』 5월 28일자 게재됐다.

- 논문 제목: Giant orbital Rashba-Edelstein effect in crystalline Cu₂O/Cu heterostructures (결정 Cu₂O/Cu 헤테로 구조에서 거대 궤도 라쉬바-에델쉬타인 효과)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1002/adma.73522 

* 상단 연구 이미지: 다양한 물질계에서의 스핀 토크 전도도(σST)와 전기전도도(σ) 비교

그래프 내에는 문헌에 보고된 결정 CuOx/Cu 계(red), 자연 산화된 Cu 기반 계(blue), 궤도 홀 효과(Orbital Hall Effect) 기반 물질(green), 스핀 홀 효과(Spin Hall Effect) 기반 물질(yellow), 반데르발스 물질(brown), 위상절연체(topological insulators, magenta), 그리고 알터자성체(altermagnets, cyan)가 포함된다. 별표(★)로 표시된 데이터는 이번 연구에서 얻은 결과를 나타낸다.

[Abstract]

Orbital current-induced torque (OT) has emerged as a promising alternative to spin-orbit torque owing to the typically larger orbital Hall conductivity. A substantial OT can be generated at metal/oxide interfaces via the orbital Rashba-Edelstein effect (OREE), which has been predominantly reported in surface-oxidized Cu structures. However, the lack of a well-defined crystalline and interfacial structures in oxidized Cu has hindered a clear understanding of the underlying mechanism and limited further enhancement of OT. Here, we demonstrate a significantly enhanced OREE in crystalline CuOx/Cu heterostructures with well-defined interfaces. By employing controlled oxidation of single-crystalline Cu, we fabricate crystalline CuOx layers with distinct chemical phases and quantify the resulting OT using harmonic Hall measurements. We find that the crystalline Cu₂O/Cu heterostructure exhibits a damping-like OT efficiency approximately seven times larger than that of naturally oxidized Cu, highlighting the crucial role of structural ordering and interface sharpness. Notably, this large OT efficiency, combined with the high electrical conductivity of Cu, yields a spin torque conductivity of 2.1×106 (ℏ/2e)Ω-1m-1, exceeding that of Pt. These results establish crystalline Cu₂O/Cu heterostructures as a promising platform for ultralow-power spin-orbitronic devices. 

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Su Jae Kim (Crystal Bank Research Institute)

 · Corresponding author: Se-Young Jeong (Department of Optics and Mechatronics Engineering, Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology)

- Title of original paper: Giant orbital Rashba-Edelstein effect in crystalline Cu₂O/Cu heterostructures

- Journal: Advanced Materials 

- Web link: https://doi.org/10.1002/adma.73522 

- Contact e-mail: syjeong@pusan.ac.kr