<일본시장조사보고서>2024년판 스핀트로닉스 디바이스 시장의 현상과 장래전망(일본어판)
(일본어목차)2024年版 スピントロニクスデバイス市場の現状と将来展望
자료코드: C66115100 / A4 159 / 2024. 09. 27
스핀트로닉스 디바이스란 전자가 가진 스핀을 이용해 정보를 처리하는 디바이스다. 지금까지의 전자 디바이스에서는 전하를 이용하여 정보를 전달하는데 대해, 스핀트로닉스 디바이스에서는 전자의 스핀 방향을 이용하여 정보를 전달하는데, 스핀트로닉스 디바이스는 고속이면서 저소비전력 디바이스이기 때문에 소비전력에 골치를 앓고 있는 정보기술의 장래에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
통상적으로 스핀트로닉스 디바이스에 이용되는 스핀은 전자의 스핀이지만, 전자뿐만 아니라 원자핵의 핵 스핀에 관한 연구도 진행되고 있다. 원자핵 스핀의 응용은 의료현장에서 자기공명영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging)으로서 실용화됐지만 전자 스핀에 비해 매우 큰 자기장이 필요하다. 한편, 핵 스핀은 전자 스핀에 비해 긴 결맞음 시간을 가지고 있기 때문에 장시간 정보를 유지할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 분야를 탐구하는 스핀트로닉스는 물질의 전기 특성과 자기 특성을 제어함으로써 얻을 수 있는 새로운 물리현상을 이용해, 일렉트로닉스, 마그네틱스, 포토닉스와 같은 전자·정보통신 산업의 이노베이션을 창출하는 최신 학술 분야다. 동시에 기초과학적 이노베이션과 산업 이노베이션이 협조적으로 발전을 이루는 비교적 드문 과학기술 혁신 분야로서도 주목받고 있다.
◆조사개요
• 조사목적: 스핀트로닉스 디바이스 시장의 사업화를 위한 대응을 추진하고 있는 기업 및 연구기관의 현재 동향과 향후 사업시책을 조사함으로써 스핀트로닉스 디바이스의 현황과 향후 동향을 파악하는 것을 목적으로 한다.
• 조사대상:
◆대상구분 〇스핀 메모리 〇스핀 집적회로 〇스핀 열제어 〇양자 스핀트로닉스
◆대상기업, 연구기관: 상기 대상품목 관련 생산, 판매, 취급기업 및 기술연구기관
• 조사방법: 당사 전문조사원의 대면취재
• 조사·분석기간: 2024년 1월 26일~2024년 8월 25일
※월간지 'Yano Eplus'(2024년 2월호~2024년 9월호)에서의 관련 특집을 바탕으로 편집, 시장 수치 등도 발췌
◆자료 포인트
정보를 처리하는 전자 회로와 정보를 기록하는 매체의 융합
디바이스 구조가 통일됨으로써 새로운 지평을 개척할 수 있다
• 스핀트로닉스 디바이스는 소비전력으로 고민하고 있는 정보기술의 미래에 크게 기여!
• 자기 메모리, 자기 센서, 자기 트랜지스터, 자기 토크 오실레이터 등 다양한 분야에서의 응용을 기대
• 스핀트로닉스 기술을 논리회로에 도입하면 전자기기의 대기전력을 없앨 수 있어 소비전력을 대폭 절감
• 3세대 SOT-MRAM은 기존 제조공정을 크게 변경하지 않고 터널 산화막에 가해지는 전압을 제로로 만들어 무제한 내구성을 실현!
• 온도구배가 있는 계에서는 열류에서 스핀류가 발생, 생성된 스핀류는 전압으로 변환되어 새로운 열전 변환 원리로 주목!
• 양자효과를 도입하여 긴 결맞음 시간을 가진 스핀을 빛과 전기장에 의해 제어하는 점이 특징
리서치 내용
조사결과 포인트
제1장 총론
1. 스핀트로닉스 디바이스란
2. 스핀트로닉스 디바이스의 용도 분야
2-1. 자기 메모리
(1)터널자기저항(TMR: Tunnel Magneto Resistance)
(2)스핀전달토크(STT: Spin Transfer Torque) 자화반전
(3)스핀궤도토크(SOT: Spin Orbit Torque) 자화반전
2-2. 자기 판독 소자
2-3. 스핀 홀(Spin Hall) 효과 소자
2-4. 스핀 FET
2-5. 스핀 광 메모리
3. 스핀트로닉스 디바이스에 관한 시장규모
[그림·표1. 스핀트로닉스 디바이스의 일본 및 WW 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표2. 스핀트로닉스 디바이스의 카테고리별 일본 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표3. 스핀트로닉스 디바이스의 카테고리별 WW 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
4. 스핀트로닉스 디바이스와 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
4-1. 공립대학법인 오사카대학
[그림1. α NPD 분자 박막의 스핀 수송 실증 개념도]
[그림2. 강자성 공명으로 구동되는 스핀 펌핑에 의한 스핀 주입,
스핀 수송과 스핀 검출의 모식도]
[그림3. (a)Ni80Fe20/αNPD/Pd 3층 시료의 FMR 특성,
(b)동 시료의 Pd에서 검출되는 기전력 특성]
4-2. 국립대학법인 오사카대학
(1)스핀 엘라스트로닉스의 제창
[그림4. '스핀엘라스트로닉스'라는 새로운 학술영역의 제창]
(2)스핀트로닉스에 의한 변형 감지
①플렉시블 변형 스핀 밸브
[그림5. 플렉시블 변형(GMR) 스핀 밸브 구조의 모식도]
[그림6. 플렉시블 변형(GMR) 스핀 밸브의 특성]
②생체운동 감지
[그림7. 각 손가락을 구부렸을 때 얻어지는 출력 측정을 위해
플렉시블 변형(GMR) 스핀 밸브를 손등에 부착]
(2)또 다른 개발사례
①집적스핀 센서패드
[그림8. 집적스핀 센서패드의 회로도(좌) 및 시제품(우)]
②무전원 센싱
[그림9. 무전원 센싱의 구상과 시제품]
(3)나노엘라스트로닉스 개발을 위해서
[그림10. 나노엘라스트로닉스 개발을 위해서]
4-3. 국립대학법인 고베대학
(1)스핀트로닉스용 강자성 합금 재료와 2차원 물질 간의
이종 결정 계면의 상태를 제1원리 계산으로 예측(고베대학 보도자료)
https://www.kobe-u.ac.jp/ja/news/article/2022_09_06_01/)
[그림11. FePd/Gr의 트위스트 계면 모델의 예]
[그림12. 트위스트 계면에서 Gr층의 높이 분포. 검은색 동그라미는 C원자,
색상은 높이를 나타내며, 줄무늬상 변형이 발생하고 있는 것을 알 수 있다]
(2)파형 Gr/L10-FePd 계면에서의 제1원리 계산과 XAS 및 XMCD 스펙트럼 관측
(3)L10-FePd(001)/Gr 이종접합의 제1원리 계산을 통한 스핀 수송 특성 예측
[그림13. FePd/1-Gr/FePd 이종접합의 스핀 수송 계산의 모식도,
(a)산란 영역과 전극 영역의 계산 모델.
(b)FePd(001)/Gr 계면 모델의 단면도. (c)자기 구성과 스핀 분해 전도 성분.
(d)접합의 마이크로 자기 시뮬레이션 모델]
4-4. 국립대학법인 도쿄대학
[그림14. 표면 탄성파에 따른 DC 기전력 측정 실험계 모식도]
[그림15. 중금속/강자성 이종구조에 표면탄성파를 전파시켰을 때 발생하는
직류 기전력의 자기장 각도 의존성 측정 결과]
[그림16. 원자 진동과 전자스핀이 스핀궤도 상호작용을 통해
결합함으로써 발생하는 스핀류의 개념도]
5. 스핀트로닉스 디바이스의 장래 전망
제2장 스핀 집적회로
1. 스핀 집적회로란
2. 스핀 집적회로의 특징
2-1. 고속동작
(1)스핀 전송에 의한 고속통신
(2)스핀 궤도 상호작용의 활용
(3)스핀 수송 최적화
2-2. 저소비전력
(1)스핀 전송의 효율성
(2)스핀궤도 상호작용의 이용
(3)스핀의 장시간 유지
2-3. 비휘발성
(1)공간 절약
(2)고속화
(3)에너지 절약
①설계 복잡성
②비용
2-4. 스케일러빌리티
(1)스핀 전송 제어
(2)스핀 배치 제어
(3)에너지 효율 최적화
3. 스핀 집적회로에 관한 시장규모
[그림·표1. 스핀 집적회로의 일본 및 WW 시장규모 예측(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표2. 스핀 집적회로의 카테고리별 일본 시장규모 예측(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표3. 스핀 집적회로의 카테고리별 WW 시장규모 예측(금액: 2025-2045년 예측)]
4. 스핀트로닉스 디바이스와 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
4-1. 국립대학법인 오사카대학
(1)온칩형 게르마늄 전자·광·스핀 집적회로를 위한 스핀트로닉스 연구
[그림1. Ge 기반의 전자, 빛, 스핀 집적회로의 개념도]
(2)혁신적 스핀 주입을 가능하게 하는 강자성 호이슬러 합금/Ge 이종접합
[그림2. MBE에서 제작한 강자성 호이슬러 합금/Fe/Ge 접합단면 전자현미경 사진(좌).
이것을 이용한 스핀 전도 평가 디바이스의 개념도(중앙).
실온에서 관측된 자기저항 효과(비휘발 메모리 효과)의 예(우)]
(3)세로형 Ge 스핀 디바이스 개발
[그림3. 기존의 상식을 뒤집는 세로형 Ge 반도체 스핀 디바이스 구조의 모식도(좌),
시제작 디바이스의 평가 모습(중앙),
실온에서 관측된 자기저항 효과(비휘발 메모리 효과)의 예(우)]
4-2. 국립대학법인 규슈대학
(1)스핀 제벡 균등막 온도차 발전으로 목표로 하는 에너지 하베스트
[그림4. 스핀 제벡 효과와 역스핀 홀 효과에 의한 열 기전력 가능성]
(2)초저소비전력을 목표로 하는 자기 메모리(MRAM)
[그림5. 기존 장치의 속도와 용량]
[그림6. 유사 반강자성층의 실현]
(3)차세대를 향한 서브테라헤르츠 발진 소자
[그림7. 스핀 토크 발진의 모식도]
4-3. 국립대학법인 도호쿠대학
(1)에지 AI가 초래하는 비휘발성 로직 인 메모리 아키텍처
(2)비휘발성 논리 회로 방식의 특징
[그림8. 기존의 반도체 LSI(상)와 비휘발성 로직 LSI(하)의 비교 이미지]
[그림9. 기존 방식과 비휘발 로직 방식의 비교.
기존의 휘발 메모리를 이용한 방식에서는 전원 OFF로 기억 데이터가
파괴되어 버리기 때문에 대기 중에도 통전해 두지 않으면 안 되며,
결과적으로 불필요한 전력을 소비(하).
한편, 비휘발성 메모리를 사용하면 대기 중에 전원 OFF해도 데이터가 유지된다]
(3)비휘발성 논리 회로의 구성 예
[그림10. 스핀트로닉스 소자를 이용한 비휘발성 마이크로 컴퓨터의 사례]
[그림11. 에지용 마이크로 컴퓨터로서의 성능 비교]
(4)비휘발성 디바이스의 추가 기술 전개 가능성
4-4. 국립대학법인 호쿠리쿠첨단과학기술대학원대학(JAIST)
(1)GaAs(111) B상의 MnAs/InAs계 이종구조
[그림12. 목표로 하는 스핀 FET]
[그림13. GaAs(111) B상의 MnAs/InAs계 이종구조]
(2)싱글 이종구조: 가로형 스핀 밸브 디바이스
[그림14. MnAs/InAs 싱글 이종구조에 의한 가로형 스핀 밸브 디바이스 구조]
[그림15. 가로형 스핀 밸브 디바이스의 비국소 스핀 밸브(NLSV, 왼쪽)
및 국소 스핀 밸브(LSV, 중앙) 특성 예와
스핀 밸브 신호의 전극 간격 의존성(우)]
[표1. 스핀 밸브 신호에 의해 견적 된 스핀 확산 길이와 스핀 주입 효율]
(3)더블 이종구조: 세로형 스핀 밸브 디바이스 기대
[그림16. 더블 이종구조의 SEM/EDS 결과]
[그림17. 더블 이종구조의 자기 특성]
5. 스핀 집적회로의 과제와 장래 전망
5-1. 과제
5-2. 장래 전망
제3장 스핀 메모리
1. 기존 메모리의 메인스트림
2. 차세대 메모리에 대한 기대
3. 대표 차세대 메모리인 자기 저항 메모리(MRAM)
4. 스핀 메모리에 관한 시장규모
[그림·표1. 스핀 메모리의 일본 및 WW 시장규모 예측(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표2. 스핀 메모리의 카테고리별 일본 시장규모 예측(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표3. 스핀 메모리의 카테고리별 WW 시장규모 예측(금액: 2025-2045년 예측)]
5. 스핀트로닉스 디바이스와 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 규슈대학
(1)MRAM 트렌드: STT에서 SOT로
(2)이목이 집중되는 TmIG
[그림1. 온액시스 스퍼터링으로 제작된 TmIG의 특성.
(a)2θ -ω법에 의해 측정된 X선 회절 패턴.
(b)초전도 자속 양자계에 의해 27℃로 측정된 자기 특성]
(3)자성절연체 TmIG의 전기적 검출 및 자화반전
[그림2. TmIG의 디바이스 구조(a)와 이상 홀 효과에 의한 자화 측정 결과(b)]
5-2. 국립대학법인 도쿄공업대학
(1)초고속, 초저소비 전력을 특징으로 하는 SOT-MRAM 개발
①STT-MRAM
②SOT-MRAM
[그림3. STT-MRAM(상)과 SOT-MRAM(하)의 특징]
(2)위상 절연체와 자기 터널 접합을 집적한
SOT-MRAM의 원리 동작 실증에 성공(도쿄공업대학 보도자료)
https://www.titech.ac.jp/news/2021/062339)
[그림4. BiSb의 스핀 홀 성능]
[그림5. SOT-MRAM의 벤치마크 모델의 (a)기록 전류와 (b)기록 에너지]
[그림6. (a)토폴로지 절연체와 CoFeB/MgO/CoFeB 자기 터널 접합 (MTJ)을 집적한
3단자 SOT-MRAM 소자 모형과 (b)실제 소자 사진.
(c)스퍼터링법만으로 제작한 BiSb-MTJ 소자에서의 터널 자기 저항 효과.
(d)스핀 궤도 토크에 의한 기록 실증]
(3)토폴로지 절연체를 이용한 SOT-MRAM의 초고속 자화반전 성공
(도쿄공업대학 보도자료) https://www.titech.ac.jp/news/2022/063811)
[그림7. (a)초고속 자화반전을 실증하기 위한 막 구조.
(b)제작한 소자의 사진. (c)-(f)펄스 폭 1~4ns의 펄스 나노초 전류를 소인했을 때의 자화반전.
(g)3ns의 정부 펄스 전류(1.3×107 A/cm2)를 BiSb에 연속적으로 인가했을 때의 자화반전.
(h) 1ns에서 1ms까지 다양한 펄스 전류를 인가했을 때의 자화반전에 필요한 역치 전류 밀도]
5-3. 국립대학법인 나라첨단과학기술대학원대학(NAIST)
(1)디바이스의 3차원 입체가공
[그림8. 2차원(좌) 및 3차원(우) 자성 박막 모식도]
(2)고정밀로 흐트러짐 없는 원자 사이즈 입체 표면 제작
①가공 및 평가기술 개발
[그림9. 제작한 Si의 피라미드 구조(웨트에칭 후)를 나타내는 SEM 상]
[그림10. 4회 대칭의 Si{111} 파셋면에서의
LEED 패턴 실험 결과(a)와 시뮬레이션 결과(b)]
②자성 나노박막 형성
[그림11. 피라미드 형상을 가진 30 nm-Fe 나노 박막의 자화(세로축)와
인가 자기장(가로축)의 관계(a, b). (a)기판면 내 방향으로 자기장 인가,
(b)기판면 수직 방향으로 자기장 인가. (c)면내 자기장 인가의 경우 각 자기장
(a)의 1~6)에서의 자화 모식도
③베이스를 마스크로 하는 특성 개선
[그림12. 8각형 피라미드 구조 영역에만 Fe를 코팅한 시료의 SEM 상.
피라미드 구조 사이로 베이스인 Si가 표면에 드러나 있다]
[그림13. 위 샘플의 자화-자기장 곡선]
6. 스핀 메모리 장래 전망
6-1. 고속동작과 저소비전력
6-2. 고내구성과 신뢰성
6-3. 집적도 향상
6-4. 제조기술 진화
6-5. 새로운 아키텍처에 대한 지원
6-6. 에너지효율 향상
제4장 스핀 열 제어
1 스핀 열 제어란
2. 스핀 열 제어의 이론
2-1. 스핀 제벡 효과
2-2. 스핀 펠티에 효과
2-3. 스핀 홀 효과
3. 스핀 열 제어에 관한 시장규모
[그림·표1. 스핀 열 제어 디바이스의 일본 및 WW 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표2. 스핀 열 제어 디바이스의 카테고리별 일본 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표3. 스핀 열 제어 디바이스의 카테고리별 WW 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
4. 스핀 열 제어와 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
4-1. 국립대학법인 규슈대학
[그림1. 스핀류 생성 메커니즘을 나타내는 모식도.
(a)전기장에 의한 스핀류 생성(전기적 스핀 주입) 메커니즘.
상향 스핀 채널과 하향 스핀 채널의 전기전도도 차이에 의존.
(b)열구배에 의한 스핀류 생성(열 스핀 주입) 메커니즘.
상향 스핀 채널과 하향 스핀 채널의 제벡 계수 차이에 의존]
(1)스핀 의존 제벡 효과
[그림2. 스핀 의존 제벡 효과의 밴드 의존성.
(a)기존 재료(NiFe, Co 등)에서의 열 여기 스핀 확산 메커니즘 모식도.
(b)열 스핀 주입에 이상적인 강자성 재료(CoFeAl, CoFeB 등)에서의
열 여기 스핀 확산 메커니즘 모식도]
(2)CoFeAl 합금을 이용한 열 스핀 주입 평가
[그림3. CoFeAl 합금을 이용한 스핀 의존 제벡 효과(열 스핀 주입)의 검출.
(a)제작한 소자 구조와 측정 회로. (b)검출한 열 스핀 신호]
(3)간접적 열 스핀 주입 관측
[그림4. 다단자 가로형 스핀 밸브 소자에서 전기적 스핀 주입과
열 스핀 주입 검출. (a)전기적 스핀 신호. (b)열적 스핀 신호.
(c)3개의 CFA/Cu 계면에서의 열류 흐름과 Cu 비자성체 중으로의 열 스핀 주입 모식도.
측정 결과의 우측에 삽입한 모식도는 각 측정에서의 단자 배치]
4-2. 국립대학법인 사이타마대학
[그림5. 제벡 효과 모식도]
[그림6. 스핀 홀 효과(좌)과 스핀 네른스트 효과(우) 모식도]
[그림7. 가로형 열 스핀 변환에 의한 발전의 모식도(우)와 스핀 밸브 구조(우)]
[그림8. 모듈화할 경우의 접속방법 제안]
4-3. 국립대학법인 도호쿠대학
(1)열전도를 전기로 제어하는 새로운 방법을 개발(도호쿠대학 보도자료)
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/09/press20200903-01-netsu.html)
[그림9. (a)라만 분광용 시료의 단면도.
전압 인가하의 마그논의 변화를 레이저 빛으로 조사하기 위해
투명 도전막 ITO를 상부 전극에 이용하고 있다. (b)인가 전압의 시간 의존성.
(c)전압 인가 및 쇼트에 의한 라만 스펙트럼의 변화.
A-E의 기호는 (b)에 대응하고 있다]
[그림10. (a) 열전도 평가용 시료의 단면도.
상부 전극인 Au는 서모 리플렉턴스용 가열 겸 온도 검출막으로 기능한다.
(b)인가 전압의 시간 의존성.
(c)LCCO 박막의 열 컨덕턴스 GLCCO의 인가 전압 의존성.
A-E의 기호는 (b)에 대응하고 있다]
(2)전자 디바이스의 배열 제어를 위한 '스핀 사다리계 구리산화물'의
배향 성막 기술을 개발(도호쿠대학 보도자료
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/08/press20220823-03-spin.html)
[그림11. 스핀 사다리계 구리산화물 LCCO의 구조.
(a)단위 구조, (b)사다리면을 세운 상태]
(3)스핀 열전도 물질 나노시트화에 성공(도호쿠대학 보도자료)
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/10/press20221013-01-spin.html)
[그림12. 스핀 열전도 물질 LCCO의 층상 구조(단위 격자)]
[그림13. LCCO 나노시트의 TEM 상]
(4)EV의 차세대 열관리를 지향한 마그논 열전도성 나노시트 대량합성 기술 개발
4-4. 국립대학법인 후쿠이대학
(1)열에 의한 고속, 고효율의 자극 제어(오사카대학 보도자료)
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2018/20181205_1)
[그림14. 이중 절연체형 MTJ의 개념도]
[그림15. MTJ에 인가한 직류 전압에 대한 자유층 자극의 자기 이방성]
그림16. 마이크로파가 증폭되는 현상의 개념도(좌)와
마이크로파 파워 반사율 스펙트럼의 자기장 의존성(우)]
(2)자석으로 서브 기가헤르츠대의 세계 최고 다이오드 감도 달성
(오사카대학 보도자료)
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210126_1)
[그림17. 다이오드 감도와 주파수에 대한 본 연구의 위상]
[그림18. 자석을 사용한 볼로메터의 원리를 보여주는 개략도.
(a)마이크로파를 인가하지 않을 때와 (b)인가했을 때의 소자의 모습]
[그림19. 전력-55 dBm의 마이크로파를 소자에 인가했을 때 발생한
직류 전압과 인가 마이크로파의 주파수의 관계]
4-4. 국립연구개발법인 물질재료연구기구(NIMS)/도쿄대학
(1)스핀 칼롤리트로닉스의 개척과 전개
(2)JST 전략적 창조연구 추진사업 ERATO 「우치다 자성 열동체 프로젝트」
https://www.jst.go.jp/erato/uchida/about.html)
[그림20. JSTERATO 「우치다 자성 열동체 프로젝트」 개념도]
(3)새로운 재료 '열전 영구 자석'이 열 관리 기술의 새로운 가능성을 개척하다
~자기에 의해 가로형 열전변환을 고성능화~(NIMS 보도자료)
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20231130-3/pdf/20231130-3.pdf)
[그림21. 세로형·가로형 열전 변환 소자의 비교와
이번에 개발한 가로형 열전 변환 소자의 구동 원리의 모식도
[그림22. 인공경사형 다층 적층체의 가로형 열전 변환 과정의 가시화]
[그림23. 영구자석을 접목한 인공경사형 다층 적층체
(열전 영구자석)의 가로형 열전 변환]
5. 스핀열 제어의 과제와 장래 전망
제5장 양자 스핀트로닉스
1. 주목받는 양자 스핀트로닉스
2. 양자 스핀트로닉스의 응용분야 예
2-1. 양자분자 스핀트로닉스
2-2. 스핀 양자컴퓨터
3. 양자 스핀트로닉스에 관한 시장규모
[그림·표1. 양자 스핀트로닉스 일본 및 WW 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림·표2. 양자 스핀트로닉스 카테고리별 일본 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
[그림.표3. 양자 스핀트로닉스 카테고리별 WW 시장규모 예측
(금액: 2025-2045년 예측)]
4. 스핀트로닉스 디바이스와 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
4-1. 국립대학법인 오사카대학
(1)스핀류를 이용한 고감도 자기센서의 원리 해명
(도쿄대학/일본원자력연구개발기구 공동 보도자료
https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/newsrelease20120912.pdf)
[그림1. 스핀류가 발생하는 메커니즘. 강자성체로부터
비자성체의 좌측에 전류 JC를 흐르게 하면 강자성체와 비자성체의 전기화학 퍼텐셜(μ)의
차이로 인해 비자성체의 우측에는 전류가 흐르지 않는데도 불구하고 스핀류만이 유도된다]
[그림2. Pd92Ni8 합금의 스핀 홀 신호의 온도 의존성.
강자성체에서 상자성체로 전이되는 온도 T=21K부근에서 ISHE에 이상이 나타나고 있다]
[그림3. 스핀 홀 효과(SHE)의 모식도.
강자성체 스핀(핑크구)이 퀴리온도 부근에서 흔들리는 곳에
스핀류(JS)를 주입하면 전압 신호(JC)에 이상이 생긴다]
(2)스핀류를 이용한 자기 흔들림의 고감도 검출
(도쿄대학/오사카대학/일본원자력연구개발기구 공동보도자료
https://www.u-tokyo.ac.jp/content/400038744.pdf)
[그림4. ISHE 신호가 감소하는 메커니즘]
(3)스핀류에서 관측된 플라스트레이트 자성체의 스핀 treacle 영역
[그림5. 다른 온도 영역에서 CuMnBi의 스핀 홀 각.
스핀 홀 각은 ISHE를 측정하여 얻을 수 있다]
4-2. 국립대학법인 도쿄대학
(1)스핀 트랜지스터의 실현을 위해
산화물 디바이스로 거대 자기 저항과 전류 변조 실현
(도쿄대학 보도자료)
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2023-05-31-001)
[그림6. 본 연구의 개요. (a)본 연구에서 제작한 2단자 소자의 구조.
(b)기존 연구에서 사용되어 온 일반적인 반도체와
강자성 금속을 조합한 소자 구조의 예.
(c)이번에 제작한 디바이스에 이용한 (La0.67, Sr0.33)MnO3 박막의
STEM에 의한 단면 격자상]
(2)세계 최고 효율의 스핀 전류 변환을 산화물로 실현
(도쿄대학/KEK 공동보도자료
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2022-10-04-001)
[그림7. 기존의 연구에서 사용되어 온 소자 구조의 예(좌)와
이번에 사용한 (La,Sr)MnO3/LaTiO3/SrTiO3 구조(우)]
[그림8. 강한 상관 전자계 재료 LaTiO3와 SrTiO3 계면의 STEM 상]
(3)자기장을 거는 것만으로도 전기 저항이 크게 변한다
'거대 자기 저항 스위치 효과' 실현(도쿄대학 보도자료)
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2024-03-13-001)
[그림9. 이번에 제작한 Fe/MgO를 전극으로 하는 붕소(B)를 첨가한
반도체 Ge의 나노채널(채널길이 20nm 정도)을 가진 2단자 디바이스 모식도(좌).
디바이스의 단면 STEM상(중)과 디바이스 상면에서 관측한 SEM 상(우)]
[그림10. Fe층(적색)과 B첨가 Ge(청색)의 층에 끼워진 MgO 영역에 형성된
도전성 필라멘트 모식도.
(a)인가된 전압이 크고 MgO 영역에 필라멘트가 형성되어 있는 경우.
(b)자기장이 인가되어 도전성 필라멘트가 절단된 상태]
4-3. 국립대학법인 도호쿠대학(1)
(1)전자 스핀 세차운동의 회전 방향 관측에 성공
(도호쿠대학 보도자료
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/07/press20200703-02-spin.html)
[그림11. 강자성체, 반강자성체, 페리자성체에서의
자기 모멘트의 세차운동]
(2)자성의 미시적 정보로부터 스핀류의 거동을 예측 가능
(도호쿠대학 보도자료
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/04/press20240409-03-spin.html)
[그림12. 스핀류 신호의 온도 의존성과 편극 중성자 산란으로
관측된 Tb3Fe5O12의 310K와 160K에서의 자기 여기 분산의 마그논 극성]
4-4. 국립대학법인 도호쿠대학(2)
(1)실온 동작 스핀트로닉스 소자를 이용하여
양자 어닐링 머신의 기능을 실현(도호쿠대학 보도자료
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2019/09/press20190918-01-spin.html）
①q비트와 p비트
②스핀트로닉스 소자
③스핀트로닉스 p비트
[그림13. 스핀트로닉스 소자 (MTJ 소자).
자기 터널 접합 구조의 모식도(상). 기존의 비휘발성 자기 메모리 용도와
이번 p비트 용도의 MTJ 소자의 차이를 설명한 그림(하)]
(2)스핀트로닉스 유사 양자비트를 기존 대비 100배 이상으로
고속화 성공(도호쿠대학 보도자료)
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/03/press20210318-02-bit.html)
[그림14. (왼쪽 위)제작한 MTJ 소자의 구조: 숫자는 nm.
(오른쪽 위)타원형의 소자를 위에서 촬영한 SEM 상.
(왼쪽 아래)소자 저항의 외부 자기장 의존성. (오른쪽 아래)해당 상태의 모식도
(3)확률 동작 스핀 소자를 이용한 고성능·전력 절약 P컴퓨터 실증
(도호쿠대학 보도자료
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/12/press20221207-02-spin.html_
[그림15. 구축한 확률동작 스핀트로닉스 소자로 이루어진 확률 비트와
FPGA로 구성된 P컴퓨터 실물 사진]
(4)제조용이성이 뛰어난 확률론적(P) 컴퓨터 개발
(도호쿠대학 보도자료
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/04/press20240405-01-com.html)
[그림16. 본 연구의 위치를 정리한 모식도.
기존 기술인 결정론적으로 동작하는 반도체 회로로 이루어진 컴퓨터(상).
본 연구에서 동작 실증한 반도체 회로와 소수의 확률 동작 스핀 소자로 이루어진
근미래판의 P컴퓨터(중).
본 연구에서 성능을 예측한 다수의 확률 동작 스핀 소자로 이루어진 최종 형태의 P컴퓨터(하)]
4-5. 국립연구개발법인 일본원자력연구개발기구(JAEA)
(1)그래핀-금 화학결합 형성 메커니즘 규명
~스핀트로닉스 소자에 대한 응용 기대~(JAEA 보도자료
https://www.jaea.go.jp/02/press2022/p23013001/_
[그림17. 그래핀과 Hex-Au(001)의 원자 배치와 전자 상태]
[그림18. Hex-Au (001) 요철 표면 위에 그래핀을 제작하여 ARPES로 측정]
[그림19. Hex-Au(001) 위 그래핀의 ARPES 측정 결과]
[그림20. 금 표면과 그래핀의 화학결합 비교.
(좌)평탄한 금 표면, (우)요철이 있는 금 표면]
(2)스핀파 양자진공에 숨어있는 에너지 이론적 해명
~자기 디바이스 소형화에 공헌~
(JAEA 보도자료) https://www.jaea.go.jp/02/press2022/p23022801/)
[그림21. 자석에서 전달되는 자기의 파도와 그 진공]
[그림22. YIG와 산화 크롬(III)의 스핀파]
[그림23. 자기 파도의 카시미르 에너지의 막 두께 의존성]
(3)인덕터의 사이즈를 1/10,000로 초소형화·절전화할 수 있는 신원리 고안
(JAEA 보도자료) https://www.jaea.go.jp/02/press2023/p23061602/_
[그림24. 절연체 인덕터의 구성(상)과 기본 동작 (하)]
[그림25. 절연체 인덕터와, 기존 인덕터 및 개발 인덕터의 특성 비교]
[그림26. 본 연구의 성과 개요도]
4-6. 국립대학법인 히로시마 학
(1)레이저를 이용한 광스핀 제어
(도쿄대학/오차노미즈여자대학 공동보도자료
https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/issp_wms/DATA/OPTION/release20170224.pdf_
[그림27. 광조사에 의한 전자 방출의 개념도]
[그림28. 전자 스핀의 빛 제어 개념도]
(2)전자·스핀의 운동을 가시화하는 주사형 SARPES 현미경 장치 개발
(히로시마대학 보도자료 https://www.hiroshima-u.ac.jp/news/81141)
[그림29. 본 연구팀이 히로시마대학 방사광과학연구센터(HiSOR)에서
개발한 주사형 SARPES 현미경의 개략도]
[그림30. 연구팀이 관측하는 데 성공한 토폴로지 절연체의
미소한 표면에서 다른 스핀 흐름이 발생하고 있는 모습]
5. 양자 스핀트로닉스의 장래 전망
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