홋카이도대학 대학원 정보과학연구과 연구그룹은 고베대학, 게이오대학, NTT와 공동으로 인듐, 갈륨, 비소를 기본으로 한 반도체 이중 양자우물에서 ‘스핀 궤도 상호작용’을 효과적으로 활용하여, 전자가 가진 스핀상태에 대응한 전도전자를 선별하는 새로운 방법을 이론적으로 고안하였다. 이 연구에서는 특히 양자우물면에 평행하게 외부자장을 인가함으로써 전도전자의 스핀 선별 기구가 명확하게 나타났다. 구체적으로는 상정된 전자의 실제 공간에서의 궤적을 스핀별로 해석함으로써 100% 효율로 스핀 선별 메커니즘을 그림으로 증명하여 밝혀내었다. 

기존의 반도체 디바이스는 전자가 전기장에 의해 가속된다는 전자의 ‘전하 자유도’에 의해 동작한다. 한편, 전자는 ‘전하’와 함께 ‘스핀’의 자유도를 가지고 있으며, 그것에 의해 전자 1개는 작은 자석으로서의 성질을 가지고 있다. 때문에 고체 중 전자의 스핀은 상황에 대응하여 한 방향으로 배열되거나, 특정 축에 대해 회전한다. 양자 컴퓨터 및 초저소비 전력논리 디바이스와 같이 스핀을 이용한 차세대 전자 디바이스를 실현하기 위해서는 전자의 ‘스핀 자유도’를 반도체 디바이스 중에서 얼마나 잘 제어하느냐가 중요하다. 

본 연구에서 이용하는 반도체 양자우물은 ‘라쉬바(Rashba) 효과‘라는 스핀 궤도 상호작용이 존재하고, 그 구체적인 크기는 2011년에 처음으로 밝혀졌다. 라쉬바 효과 존재 하에서 어느 특정 방향의 스핀은 전자의 운동방향이 변하지 않는 한 동일한 방향 그대로이다. 그래서 이렇게 고정된 스핀은 그 방향에 따라 ’상방향‘과 ’하방향‘ 두 개로 나뉜다. 본 이론제안의 근거가 되는 중요한 기초 물리 개념은 ’반도체 이중 양자우물에서 반전성(parity)이 다른 파동함수는 스핀 궤도 상호작용에 의해 혼성된다‘는 2007년에 발표된 사실로 인터밴드 라쉬바효과라고 한다. 

본 연구에서 구체적으로 상정한 ‘반도체 이중 양자우물’의 구조는 두께 10nm 정도의 인듐, 갈륨, 비소 화합물(InGaAs)의 막을 원자 수준의 제어로 인듐, 알루미늄, 비소 화합물(InAlAs) 사이에 2장 삽입한 것이다. 이러한 구조에 리모트 도핑이라는 방법을 수행하면 전자는 InGaAs 부분(이중 양자우물 부분)에 속박되어 운동의 자유도가 양자우물면 내 2차원 공간에 제한된다. 라쉬바효과 발견 이전에는 이러한 이중 양자우물에서 도핑을 잘 조정함으로써 반전성이 다른 2개의 파동함수가 안정적으로 존재한다고 믿어왔다. 

본 연구팀은 동일 재료에서의 라쉬바효과가 정량적으로 해명된 것을 계기로 인터밴드 라쉬바효과에 의한 파동함수의 혼성을 적극적으로 이용하여 신기능을 발현하는 디바이스 개발을 모색하였다. 그 과정에서 동일한 양자역학으로부터 예측된 ‘시료 면 내에 자장을 인가하면 전자 파동함수의 파수 시프트가 발생한다’라는 효과를 조합시킴으로써 스핀 판별의 구체적인 메커니즘이 성립한다는 것을 밝혀내었다. 결과의 정량적인 이론예측은 강한 결합모델 및 컴퓨터 다중 반사 모델이 사용되며, 어느 쪽을 이용하더라도 완전하게 동일한 계산결과를 얻을 수 있었다. 

본 연구에서 제안한 디바이스에 전류를 흘린 경우, 스핀별 전기전도도가 외부자장과 함께 어떻게 변화되었는지를 보면, 자장이 정(正)의 경우는 하향 스핀의 전기전도도 G↓가 강하게 억제되어 0.2테슬라 부근에서 값이 거의 제로가 된다. 자장이 부(負)인 영역에서는 상향 스핀의 전기전도도 G↑가 강하게 억제되어 ?0.2 테슬러 부근에서 값이 거이 제로가 되는 것은 대칭성에 의해 예측된다. 이 결과로부터 P(G↑-G↓)/(G↑+G↓)의 식으로 계산된 스핀 편극도는 1차원의 이상적인 모델에서는 ±0.2 테슬러 부근에서 ?P?=1(100%의 스핀 편극)이 된다는 것을 알았다. 보다 현실적인 전자의 운동방향이 양자우물 면 내의 여러 방향을 향하고 있다는 것을 고려하는 이차원적인 모델에서는 ?P?=0.4가 얻어졌다. 마지막으로 명확한 스핀블록킹 메커니즘이 존재하지 않고, 자장만을 이용한 디바이스 제어의 경우에도 P>0.1이라는 큰 스핀 편극률이 얻어진다는 것을 밝혀내었다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』