일본산업뉴스요약

혁명의 계보 일본의 과학 기술력
반도체 스핀트로닉스 -- 대기전력 제로의 실용화
불휘발성이 무기, IoT의 주역으로

개체 전자가 가지고 있는 전하와 스핀(자석의 성질), 이 두 가지 성질을 공학적으로 이용하는 스핀트로닉스(spintronics)분야는 세계적으로 활발히 연구되고 있는, 지금 가장 뜨거운 연구 분야 중 하나이다. 단순히 스핀트로닉스 라고 말해도 그 안엔 폭넓은 테마가 있지만, 반도체의 집적회로와 융합한 「스핀트로닉스 LSI」의 연구는 최근 몇 년 진전되어, 그 실용화가 현실화 되고 있다. 스핀을 이용한 차세대 반도체로 일본은 세계를 리드하고 있다.

-- 종합력이 승부처 --
스핀트로닉스는 기초가 되는 물성(物性)연구에서 응용을 목표로 한 공학 연구까지, 일본이 강점을 가지고 있는 대표적 영역이다. 4월에는 동북 대학과 동경대학, 오사카 대학, 케이오기주쿠 대학을 중심으로 하는 횡단형 연구 조직 「스핀트로닉스 학술연계 연구교육 센터」가 발족 되었다.

4개 대학에 각각 센터를 설치, 다양한 기술을 연계하는 것으로 스핀트로닉스 분야 전체의 성과 향상을 노린다. 산업기술 종합연구소등의 연구기관 이외에도 NTT나 도시바, 하타치제작소, NEC,소니, TDK등의 기업이 참여한다. 동북대학의 센터장을 맡고 있는 동북대 전기통신 연구소 오오노 소장은 세계에서 싸우려면 「종합력이 승부처. 네트워크가 매우 중요하다」라고 강조한다.

이제까지의 일렉트로닉스는 전하의 성질을 이용한 반도체 소자(素子)와 스핀을 이용한 하드디스크 등의 자기(磁氣)기록 소자를 바탕으로 발전했다. 스핀트로닉스는 이 두 가지 성질을 동시에 이용하는 점에서 새롭다. 스핀트로닉스의 응용 중 하나가 자기저항 메모리(MRAM) 이다. MRAM는 전원을 꺼도 데이터가 지워지지 않는 「불휘발성」을 가지고 있다.

LSI에 탑재되어있는 기존의 휘발성 메모리를 MRAM로 바꾸면, 소비전력을 큰 폭으로 삭감할 수 있다. 대기 전력 제로인 전자기기의 실현도 더 이상 꿈은 아니다. 전류가 만드는 자기장에서 정보를 기록하는 초기의 MRAM에 맞서, 일본은 2000년대 초반부터 차세대 「스핀 주입자화반전형(注入磁化反轉型)」MRAM의 개발을 가속화해 왔다.

소니가 2005년에 4키로 비트(bit), 동북대와 히타치가 2007년에 2메가 비트 (메가는 1,000만)의 MRAM을 시작 (試作)했다. 이것들은 기본구조인 자기터널(磁t機 tunnel) 접합(MTJ)소자에 정보를 기록할 때, 자성막(磁性膜)에 수평으로 자화(磁化)시키는 「면내자화방식(面內磁化方式)」을 사용한다.

그러나 그 이후, 수평이 아닌 수직으로 자화시키는 「수직자화방식(垂直磁化方式)」의 실증에 도시바가 성공, 도시바와 산업기술 종합연구소는 2008년, 수직방식을 채용한 소자를 세계 최초로 개발하였다. 이러한 방식은 대용량화가 가능해 2010년에는 도시바가 64메가비트의 MRAM을 시작(試作)하였다.

-- 반도체업계와의 연계 --
실증화의 돌파구가 된 것은 오오노 소장 등이 2010년에 개발한 신구조의 MTJ소자. 자성층(磁性層)의 소재는 잘 알려진 코발트(cobalt)철 보론(boron)이지만, 이 소재를 당시의 상식으로는 생각할 수 없는 1나노미터(나노는 10억분의 1)대까지 얇게 하여, 산화마그네슘의 장벽층과의 경계면의 「수직자기이방성(垂直磁氣異方性)」을 큰 폭으로 증대시켰다.

이것으로 소자의 미세화가 가능하게 되고, LSI로의 탑재가 현실화되었다. 눈 깜짝할 사이에 세계에서 이 MJT소자가 재현 되어, 차세대 MRAM의 기본구조로 자리매김 했다. 초대 MRAM도 제품화 되었지만, 대용량화라는 벽에 직면해 있다. 머지않아 스핀 주입형 외에도 새로운 기록방식이 고안되어 신형 MRAM는 실용화의 단계를 맞이한다.

무엇보다 임팩트가 큰 것은 「반도체업계가 겨우 본격적으로 움직이기 시작했다」(오오노 소장)는 것이다. 오오노 소장 등은 그 이후, NEC등과 공동으로 내각부(內閣府 )의 「최첨단연구개발지원 프로그램(FIRST)」에서 스핀트로닉스 LSI의 개발을 추진, 2014년엔 100만개가 넘는 소자 탑재의 대규모 집적회로를 실증하였다.

시작(試作)한 스핀 LSI는 실리콘 LSI의 성능을 이미 상회하여, 면적비율 X 성능(지연시간) 비율 X 소비전력비율로 64분의1 이하를 실현하였다. 동북대에서는 소재나 소자의 개발부터 회로설계까지 일관된 스핀 LSI의 개발거점이 구축되어 있어, 반도체업계등과 실용화를 위한 연계가 추진된다.

-- 기초와 응용의 왕래 --
반도체 스핀트로닉스의 역사는 자성반도체(磁性半導體)의 연구로부터 시작된다. 이전 화합물반도체를 연구한 오오노 소장은 미국 IBM의 왓슨연구소에서 객원 연구원으로 부임하던 1988년, 「화합물반도체를 자성체로 만든다」라는 도전적 테마에 도전했다.

당시 IBM에 있던 노벨물리학 수상자인 에사키 씨의 팀에 배치되어, 에사키 씨로부터 「좋아하는 연구를 해도 좋다」라는 말을 들었다고 한다. IBM에서 무네카타 교수와 함께 연구에 매진하니, 연구는 바로 성과를 거뒀다. 자성을 갖는 망간(Mangan)을 가하면 인듐(Indium)비소가 자성체로 변하는 것을 1989년에 발표하고 연이어 자석이 되는 것도 밝혀냈다.

반도체와 자석의 성질을 겸비한 물질은 이전부터 있지만, 일렉트로닉스용의 반도체가 자석이 되는 것을 확인한 것은 세계 최초였다. 1996년에는 갈륨(Gallium) 비소가 자석이 되는 것을 확인, 자성반도체의 존재가 세계에 단숨에 알려졌다.

MRAM는 정보를 기록할 때 많은 전력을 소비하기 때문에 기록을 계속하기 위해서는 기존의 반도체 메모리가 더 쓰기 편하다는 비판도 있었다. 그러나 IoT(사물인터넷) 시대에는 불휘발성이  무기이다. 센서가 대량으로 흩어져있는 장래에는, 기기를 필요할 때에 기동시키는 성(省)에너지의 이용이 주류가 될 것 이다. 반도체 스핀트로닉스가 언젠가는 IoT의 주역이 될지도 모른다.

반도체는 일찍이 「산업의 쌀」이라 불리었다. 반도체와 자성체에 다리를 놓아, 기초와 응용의 연구를 왕래해 온, 오오노 소장이 목표로 하는 것은 현재의 실리콘LSI를 능가하는 스핀LSI의 실현이다. 보급되면 항공우주에서 자동차, 슈퍼컴퓨터, 인공지능(AI)까지 모든 산업에 패러다임 시프트(Paradigm Shift)를 일으킬 가능성이 있다.

        -- 끝 --