KR101176166B1 - Nano transistor utilizing graphene and magnetic body - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 나노 트랜지스터는 그래핀 나노 리본 및 제어용 자성체들을 포함한다. 그래핀 나노 리본은, 그래핀(graphene) 물질로 형성되어, 소오스 영역, 드레인 영역 및 상기 소오스 영역과 드레인 영역 사이의 채널 영역을 구비한다. 제어용 자성체들은 그래핀 나노 리본의 채널 영역 위에서 자기장을 각각 발생시킨다.The nano transistor according to the present invention includes a graphene nano ribbon and control magnetic bodies. The graphene nano ribbon is formed of a graphene material and has a source region, a drain region, and a channel region between the source region and the drain region. Control magnets generate a magnetic field on the channel region of the graphene nanoribbon, respectively.
Description
본 발명은, 나노 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 그래핀 물질을 이용한 나노 트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a nano transistor, and more particularly, to a nano transistor using a graphene material.
21세기에 들어서면서 대용량의 정보를 초고속으로 처리할 수 있는 기술의 필요성이 커짐에 따라, 정보소자의 소형화, 고속화가 지속적으로 요구되고 있다. In the 21st century, as the necessity of a technology capable of processing a large amount of information at a high speed increases, miniaturization and high speed of information devices are continuously required.
이를 위하여 나노 트랜지스터가 개발되고 있으며, 그 대표적인 예가 단전자 트랜지스터(single-electron transistor)라고도 불리운다.For this purpose, nano transistors have been developed, a representative example of which is also called a single-electron transistor.
단전자 트랜지스터란, 단결정 실리콘으로 된 실리콘 나노 리본에서 전자 한 개의 변화에 의해 스위치 역할을 할 수 있는 전자 소자이다. 즉, 소오스와 드레인 전극 사이에 나노미터(nm) 크기의 반도체 입자를 배치하면 소위 단전자 충전 현상(single electron charging effect)에 의해 한 개의 전자가 들어가고 나옴에 따라, 온 및 오프(on-off)가 가능하다. A single electron transistor is an electronic device which can act as a switch by the change of one electron in the silicon nano ribbon made of single crystal silicon. That is, when nanometer (nm) -sized semiconductor particles are disposed between the source and drain electrodes, one electron enters and exits by a so-called single electron charging effect, thereby turning on and off. Is possible.
쿨롱의 법칙(Coulomb's law)에 의하면 고립된 공간에 전자를 밀어 넣기 위해서는 공간 크기의 역수에 비례한 만큼의 에너지가 필요하다. 즉 공간이 작으면 작을수록 전자 한 개를 그 공간에 밀어 넣기가 힘들다. 이것이 관통 현상과 함께 단전자 소자의 주요 동작원리로 작용하는 쿨롱 봉쇄(Coulomb blockade) 효과이다. 단전자 트랜지스터를 상온에서 작동시키기 위해서는 소자의 핵심 부분이 수 나노미터 수준이어야 한다.Coulomb's law states that to push electrons into an isolated space requires energy proportional to the inverse of the size of the space. In other words, the smaller the space, the harder it is to push one electron into the space. This is the Coulomb blockade effect that acts as the main operating principle of the single-electron device together with the penetrating phenomenon. To operate single-electron transistors at room temperature, the core of the device must be several nanometers.
상기와 같은 통상적인 나노 트랜지스터에 의하면, 제어의 정밀도 및 동작 속도의 향상이 요구된다.According to the conventional nano-transistors as described above, improvement in control accuracy and operation speed is required.
본 발명의 목적은, 제어의 정밀도 및 동작 속도가 향상될 수 있는 나노 트랜지스터를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a nano transistor in which the precision of control and the speed of operation can be improved.
본 발명의 나노 트랜지스터는 그래핀 나노 리본 및 제어용 자성체들을 포함한다.The nano transistor of the present invention comprises a graphene nano ribbon and control magnetic materials.
상기 그래핀 나노 리본은, 그래핀(graphene) 물질로 형성되어, 소오스 영역, 드레인 영역 및 상기 소오스 영역과 드레인 영역 사이의 채널 영역을 구비한다.The graphene nano ribbon is formed of a graphene material and has a source region, a drain region, and a channel region between the source region and the drain region.
상기 제어용 자성체들은 상기 그래핀 나노 리본의 채널 영역 위에서 자기장을 각각 발생시킨다.The control magnetic bodies generate magnetic fields on the channel region of the graphene nano ribbon, respectively.
본 발명의 상기 나노 트랜지스터에 의하면, 상기 그래핀 나노 리본에 사용되는 그래핀(graphene) 물질이 탄소로 이루어진 단층의 2차원 구조를 가진다. 또한, 상기 그래핀 나노 리본의 모서리가 "지그재그(zig-zag)" 형상의 대칭 구조를 가질 경우, 금속의 성질이 나타난다. 그리고, 상기 그래핀 나노 리본의 모서리가 "팔걸이-의자(armchair)" 형상의 대칭 구조를 가질 경우, 그 폭에 따라서 반도체 또는 금속의 성질이 나타난다. According to the nano-transistor of the present invention, the graphene material used in the graphene nanoribbon has a single layer two-dimensional structure made of carbon. In addition, when the edge of the graphene nano ribbon has a "zig-zag" symmetric structure, the properties of the metal appears. In addition, when the edge of the graphene nano ribbon has a "armchair" symmetrical structure, depending on the width of the semiconductor or metal properties appear.
여기에서, 상기 제어용 자성체들이 서로 같은 방향의 자기장을 발생시킬 경우, 상기 그래핀 나노 리본에서 소오스 영역의 전자 스핀 방향과 드레인 영역의 전자 스핀 방향이 동일해진다. 즉, 상기 그래핀 나노 리본은 전체적으로 강자성체가 되면서 전기적으로 도체가 된다.Here, when the control magnetic bodies generate magnetic fields in the same direction, the electron spin direction of the source region and the electron spin direction of the drain region of the graphene nano ribbon become the same. That is, the graphene nanoribbon becomes an electrically conductive material as a whole ferromagnetic material.
이와 반대로, 상기 제어용 자성체들이 서로 반대 방향의 자기장을 발생시킬 경우, 상기 그래핀 나노 리본에서 소오스 영역의 전자 스핀 방향과 드레인 영역의 전자 스핀 방향이 서로 반대가 된다. 즉, 상기 그래핀 나노 리본은 전체적으로 반강자성체가 되면서 전기적으로 부도체가 된다. On the contrary, when the control magnetic bodies generate magnetic fields in opposite directions, the electron spin direction of the source region and the electron spin direction of the drain region of the graphene nano ribbon are opposite to each other. In other words, the graphene nanoribbon becomes an antiferromagnetic material as a whole and becomes an electrically nonconductive material.
따라서, 본 발명의 상기 나노 트랜지스터에 의하면, 상기 그래핀 나노 리본 및 상기 제어용 자성체들이 이용됨에 따라 제어의 정밀도가 향상될 수 있다.Therefore, according to the nano transistor of the present invention, as the graphene nanoribbon and the control magnetic materials are used, the precision of the control may be improved.
더 나아가, 상기 그래핀 물질은 나노 소자와 관련된 물질들 중에서 가장 높은 전자 이동도를 가진다. 현재까지의 측정 결과에 의하면, 그래핀의 전자 이동도가 약 200,000 (cm2/Vs)이고, 실리콘의 전자 이동도가 약 1,420 (cm2/Vs)이며, 안티몬화 인듐(InSb)의 전자 이동도가 약 77,000 (cm2/Vs)이다.Furthermore, the graphene material has the highest electron mobility among materials related to nano devices. According to the measurement results to date, the electron mobility of graphene is about 200,000 (cm 2 / Vs), the electron mobility of silicon is about 1,420 (cm 2 / Vs), and the electron mobility of indium antimonide (InSb) The degree is about 77,000 (cm 2 / Vs).
따라서, 본 발명의 상기 나노 트랜지스터에 의하면, 동작 속도도 급격히 향상될 수 있다.Therefore, according to the nano transistor of the present invention, the operation speed can also be dramatically increased.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 나노 트랜지스터를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 나노 트랜지스터의 평면도이다.
도 3은 도 1의 A-A의 단면도이다.1 is a perspective view showing a nano transistor according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the nano transistor of FIG. 1.
3 is a cross-sectional view of AA of FIG. 1.
하기의 설명 및 첨부된 도면은 본 발명에 따른 동작을 이해하기 위한 것이며, 본 기술 분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분은 생략될 수 있다. The following description and the annexed drawings are for understanding the operation according to the present invention, and a part that can be easily implemented by those skilled in the art may be omitted.
또한 본 명세서 및 도면은 본 발명을 제한하기 위한 목적으로 제공된 것은 아니고, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어들은 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. In addition, the specification and drawings are not provided to limit the invention, the scope of the invention should be defined by the claims. Terms used in the present specification should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical spirit of the present invention so as to best express the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 나노 트랜지스터를 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 나노 트랜지스터의 평면도이다. 도 3은 도 1의 A-A의 단면도이다. 도 1 내지 3에서 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.1 is a perspective view showing a nano transistor according to a preferred embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the nano transistor of FIG. 1. 3 is a cross-sectional view of A-A of FIG. The same reference numerals in FIGS. 1 to 3 indicate the objects of the same function.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 나노 트랜지스터는 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70), 절연층(120) 및 제어용 자성체들(90,100)을 포함한다. 1 to 3, a nano transistor according to a preferred embodiment of the present invention includes
그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)은, 그래핀(graphene) 물질로 형성되어, 소오스 영역(10), 드레인 영역(20) 및 상기 소오스 영역과 드레인 영역 사이의 채널 영역(50, 60)을 구비한다. The
그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)에 사용되는 그래핀(graphene) 물질은 잘 알려져 있는 바와 같이 탄소로 이루어진 단층의 2차원 구조를 가진다. 또한, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)의 모서리가 "지그재그(zig-zag)" 형상의 대칭 구조를 가질 경우, 금속의 성질이 나타난다. 그리고, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)의 모서리가 "팔걸이-의자(armchair)" 형상의 대칭 구조를 가질 경우, 그 폭에 따라서 반도체 또는 금속의 성질이 나타난다. Graphene materials used in
절연층(120)은 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70) 위에 형성된다. 제어용 자성체들(90, 100)은 그래핀 나노 리본의 채널 영역(50, 60) 위에서 자기장을 각각 발생시킨다.The
제어용 자성체들(90, 100)이 서로 같은 방향의 자기장을 발생시킬 경우, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)에서 소오스 영역(10)의 전자 스핀 방향과 드레인 영역(20)의 전자 스핀 방향이 동일해진다. 즉, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)은 전체적으로 강자성체가 되면서 전기적으로 도체가 된다.When the control
이와 반대로, 제어용 자성체들(90, 100)이 서로 반대 방향의 자기장을 발생시킬 경우, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)에서 소오스 영역(10)의 전자 스핀 방향과 드레인 영역(20)의 전자 스핀 방향이 서로 반대가 된다. 즉, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)은 전체적으로 반강자성체가 되면서 전기적으로 부도체가 된다. On the contrary, when the control
따라서, 본 실시예의 나노 트랜지스터에 의하면, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70) 및 제어용 자성체들(90, 100)이 이용됨에 따라 제어의 정밀도가 향상될 수 있다.Therefore, according to the nano-transistor of the present embodiment, as the
더 나아가, 그래핀 물질은 나노 소자와 관련된 물질들 중에서 가장 높은 전자 이동도를 가진다. 현재까지의 측정 결과에 의하면, 그래핀의 전자 이동도가 약 200,000 (cm2/Vs)이고, 실리콘의 전자 이동도가 약 1,420 (cm2/Vs)이며, 안티몬화 인듐(InSb)의 전자 이동도가 약 77,000 (cm2/Vs)이다.Furthermore, graphene materials have the highest electron mobility among materials associated with nanodevices. According to the measurement results to date, the electron mobility of graphene is about 200,000 (cm 2 / Vs), the electron mobility of silicon is about 1,420 (cm 2 / Vs), and the electron mobility of indium antimonide (InSb) The degree is about 77,000 (cm 2 / Vs).
따라서, 본 실시예의 나노 트랜지스터에 의하면, 동작 속도도 급격히 향상될 수 있다.Therefore, according to the nano transistor of this embodiment, the operation speed can also be drastically improved.
보다 상세하게는, 제어용 자성체들(90, 100)은 제어용 약자성체(90)와 제어용 강자성체(100)를 포함한다.In more detail, the control
제어용 강자성체(90)로부터의 자기장은 일정하고 제어용 약자성체(100)로부터의 자기장이 변한다. The magnetic field from the controlling
상기한 바와 같이, 제어용 약자성체(100)로부터의 자기장의 방향이 제어용 강자성체(90)로부터의 자기장의 방향과 같도록 제어될 경우, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)은 전체적으로 강자성체가 되면서 전기적으로 도체가 된다.As described above, when the direction of the magnetic field from the control weak
이와 반대로, 제어용 약자성체(100)로부터의 자기장의 방향이 제어용 강자성체(90)로부터의 자기장의 방향과 반대이도록 제어될 경우, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)은 전체적으로 반강자성체가 되면서 전기적으로 부도체가 된다.On the contrary, when the direction of the magnetic field from the control weak
본 실시예의 나노 트랜지스터에 있어서, 실리콘 웨이퍼(150) 위에 제1 실리콘 옥사이드(SiO2)층(121)이 형성되고, 제1 실리콘 옥사이드 층(121) 위에 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)이 형성된다. 따라서 상기 절연층(120)은 제2 실리콘 옥사이드 층으로 된다.In the nano transistor of the present embodiment, a first silicon oxide (SiO 2 )
제어용 약자성체(90)는 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70) 위에서 소오스 영역에 인접된다. 제어용 강자성체(100)는 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70) 위에서 드레인 영역(20)에 인접된다.The control weak
추가적으로, 보다 정밀하고 다양한 제어 양태를 구현하기 위하여, 그래핀 나노 리본(10,20,50,60 및 70)의 채널 영역(50, 60)의 일부에서 단일 전자의 터널링을 위한 양자점(70)이 형성된다.Additionally, in order to implement more precise and various control aspects, the
또한, 상기 절연층(120)으로서의 제2 실리콘 옥사이드 층 위에서 상기 양자점(70) 위를 경유하는 게이트 전극(110)이 형성된다. 게이트 전극(110)은 제어용 약자성체(90)와 제어용 강자성체(100) 사이를 경유한다.In addition, a
따라서, 본 실시예의 나노 트랜지스터가 온(on) 상태가 되려면, 제어용 약자성체(100)로부터의 자기장의 방향이 제어용 강자성체(90)로부터의 자기장의 방향과 같도록 제어되면서, 게이트 전극(110)에 단일 전자의 터널링 전압이 인가되어야 한다. Therefore, in order for the nano transistor of the present embodiment to be turned on, the direction of the magnetic field from the control weak
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 트랜지스터에 의하면, 그래핀 나노 리본에 사용되는 그래핀(graphene) 물질이 탄소로 이루어진 단층의 2차원 구조를 가진다. 또한, 그래핀 나노 리본의 모서리가 "지그재그(zig-zag)" 형상의 대칭 구조를 가질 경우, 금속의 성질이 나타난다. 그리고, 그래핀 나노 리본의 모서리가 "팔걸이-의자(armchair)" 형상의 대칭 구조를 가질 경우, 그 폭에 따라서 반도체 또는 금속의 성질이 나타난다. As described above, according to the nano-transistor according to the present invention, the graphene material used in the graphene nano ribbon has a monolayer two-dimensional structure made of carbon. In addition, when the edge of the graphene nano ribbon has a "zig-zag" shaped symmetrical structure, the properties of the metal appear. And, when the edge of the graphene nano ribbon has a "armchair" symmetrical structure, depending on the width of the semiconductor or metal properties appear.
여기에서, 제어용 자성체들이 서로 같은 방향의 자기장을 발생시킬 경우, 그래핀 나노 리본에서 소오스 영역의 전자 스핀 방향과 드레인 영역의 전자 스핀 방향이 동일해진다. 즉, 그래핀 나노 리본은 전체적으로 강자성체가 되면서 전기적으로 도체가 된다.Here, when the control magnetic bodies generate magnetic fields in the same direction, the electron spin direction of the source region and the electron spin direction of the drain region of the graphene nano ribbon become the same. In other words, graphene nanoribbons become ferromagnetic as a whole and become electrically conductive.
이와 반대로, 제어용 자성체들이 서로 반대 방향의 자기장을 발생시킬 경우, 그래핀 나노 리본에서 소오스 영역의 전자 스핀 방향과 드레인 영역의 전자 스핀 방향이 서로 반대가 된다. 즉, 그래핀 나노 리본은 전체적으로 반강자성체가 되면서 전기적으로 부도체가 된다. On the contrary, when the control magnetic bodies generate magnetic fields in opposite directions, the electron spin direction of the source region and the electron spin direction of the drain region of the graphene nano ribbon are opposite to each other. In other words, the graphene nanoribbons become antiferromagnetic materials as a whole and become electrically insulators.
따라서, 본 발명에 따른 나노 트랜지스터에 의하면, 그래핀 나노 리본 및 제어용 자성체들이 이용됨에 따라 제어의 정밀도가 향상될 수 있다.Therefore, according to the nano-transistor according to the present invention, as the graphene nanoribbon and the control magnetic materials are used, the precision of the control can be improved.
더 나아가, 그래핀 물질은 나노 소자와 관련된 물질들 중에서 가장 높은 전자 이동도를 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 나노 트랜지스터에 의하면, 동작 속도도 급격히 향상될 수 있다.Furthermore, graphene materials have the highest electron mobility among materials associated with nanodevices. Therefore, according to the nano transistor according to the present invention, the operation speed can also be drastically improved.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 특허청구범위에 의해 청구된 발명 및 청구된 발명과 균등한 발명들은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.The present invention has been described above with reference to preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that the present invention may be embodied in various other forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, the above-described embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and the inventions claimed by the claims and the inventions equivalent to the claimed invention are to be construed as being included in the present invention.
나노 트랜지스터 뿐만 아니라 메모리를 위한 나노 셀에 이용될 수 있다.It can be used in nano cell as well as nano transistor.
10...소오스 영역, 20...드레인 영역,
50,60...채널 영역, 10,20,50,60 및 70...그래핀 나노 리본,
120...제2 실리콘 옥사이드 층, 90...제어용 자성체,
100...제어용 강자성체, 150...실리콘 웨이퍼,
121...제1 실리콘 옥사이드 층, 70...양자점,
110...게이트 전극.10 ... source region, 20 ... drain region,
50,60 ... channel region, 10,20,50,60 and 70 ... graphene nano ribbons,
120 ... second silicon oxide layer, 90 ... control magnetic material,
100 ... ferromagnetic for control, 150 ... silicon wafer,
121 first silicon oxide layer, 70 quantum dots,
110 ... gate electrode.
Claims (9)
상기 그래핀 나노 리본의 채널 영역에 자기장을 각각 발생시키는 제어용 자성체들; 및
상기 그래핀 나노 리본과 상기 제어용 자성체들 사이에 형성된 절연층을 포함하고,
상기 제어용 자성체들이, 일정한 자기장을 발생시키는 제어용 강자성체와, 변하는 자기장을 발생시키는 제어용 약자성체를 포함하며,
상기 제어용 약자성체가 상기 그래핀 나노 리본 위에서 상기 소오스 영역에 인접되고,
상기 제어용 강자성체가 상기 그래핀 나노 리본 위에서 상기 드레인 영역에 인접된 나노 트랜지스터. A graphene nano ribbon formed of a graphene material and having a source region, a drain region, and a channel region between the source region and the drain region;
Control magnetic bodies each generating a magnetic field in the channel region of the graphene nano ribbon; And
It includes an insulating layer formed between the graphene nano ribbons and the control magnetic material,
The control magnetic material includes a control ferromagnetic material for generating a constant magnetic field, and a control weak magnetic material for generating a changing magnetic field,
The control weak magnetic material is adjacent to the source region on the graphene nano ribbon,
And the control ferromagnetic material adjacent to the drain region on the graphene nano ribbon.
상기 그래핀 나노 리본의 채널 영역에 자기장을 각각 발생시키는 제어용 자성체들; 및
상기 그래핀 나노 리본과 상기 제어용 자성체들 사이에 형성된 절연층을 포함하고,
상기 제어용 자성체들이, 일정한 자기장을 발생시키는 제어용 강자성체와, 변하는 자기장을 발생시키는 제어용 약자성체를 포함하며,
상기 그래핀 나노 리본의 채널 영역의 일부에서 단일 전자의 터널링을 위한 양자점이 형성된 나노 트랜지스터.A graphene nano ribbon formed of a graphene material and having a source region, a drain region, and a channel region between the source region and the drain region;
Control magnetic bodies each generating a magnetic field in the channel region of the graphene nano ribbon; And
It includes an insulating layer formed between the graphene nano ribbons and the control magnetic material,
The control magnetic material includes a control ferromagnetic material for generating a constant magnetic field, and a control weak magnetic material for generating a changing magnetic field,
And a quantum dot for tunneling single electrons in a portion of the channel region of the graphene nano ribbon.
상기 제어용 약자성체와 제어용 강자성체 사이를 경유하는 나노 트랜지스터.
The method of claim 8, wherein the gate electrode,
Nanotransistors passing between the control weak magnetic material and the control ferromagnetic material.
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WO2015178519A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-26 | 이윤택 | Transistor including selection of at least one from at least one bending deformation of graphene or position shift to control at least one work function |
Citations (2)
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JP2009182173A (en) * | 2008-01-31 | 2009-08-13 | Fujitsu Ltd | Graphene transistor and electronic apparatus |
JP2010045124A (en) * | 2008-08-11 | 2010-02-25 | National Institute Of Information & Communication Technology | Magnetic switching element using conductive nanowire |
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