KR101479426B1 - Conductive Nanowiere Device Of Semicircle Structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 트렌지스터에 관한 것으로, 더 구체적으로, 반원 구조의 도전성 나노 와이어을 이용한 나노 와이어 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a transistor, and more particularly, to a nanowire device using a conductive nanowire having a semicircular structure.
패터닝 기술의 진화에 따라, 나노 와이어 패터닝이 가능해졌다. 또한, 나노 구조는 비선형 형상을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반원 구조의 도전성 나노 와이어을 이용한 능동 소자가 제안된다. With the evolution of patterning technology, nanowire patterning has become possible. Further, the nanostructure exhibits a nonlinear shape. According to an embodiment of the present invention, an active device using a conductive nanowire having a semicircular structure is proposed.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 오메가 구조의 나노 와이어를 이용하여 트렌지스터와 같은 능동 소자를 제공하는 것이다.The present invention provides an active device such as a transistor using a nanowire having an omega structure.
본 발명의 일 실시예에 따른 반원 구조를 가진 도전성의 나노와이어; 상기 반원 구조의 상부면 배치된 제1 전극; 및 상기 반원 구조의 하부면에 배치된 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 나노 와이어의 양단에 흐르는 전류를 제어한다.A conductive nanowire having a semicircular structure according to an embodiment of the present invention; A first electrode disposed on the upper surface of the semicircular structure; And a second electrode disposed on a lower surface of the semicircular structure. A voltage is applied between the first electrode and the second electrode to control a current flowing between both ends of the nanowire.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고, 상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the radius of curvature or the inner diameter of the semicircular structure may be 1 nm to 100 nm, and the thickness of the nanowire may be 1 nm to 100 nm.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 나노 와이어 사이에 배치된 제1 절연체; 및 상기 제2 전극과 상기 나노 와이어 사이에 배치된 제2 절연체를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a first insulator is disposed between the first electrode and the nanowire; And a second insulator disposed between the second electrode and the nanowire.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 반원 구조를 가진 도전성의 나노 와이어; 및In one embodiment of the present invention, a conductive nanowire having a semicircular structure; And
상기 반원 구조가 배치된 평면에 접촉하여 배치된 강자성체를 포함하고, 상기 자성체의 자화 방향에 따라 상기 나노 와이어에 흐르는 전류의 세기가 변경된다.And a ferromagnetic body disposed in contact with the plane on which the semicircular structure is disposed, and the intensity of the current flowing through the nanowire is changed according to the magnetization direction of the magnetic body.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고, 상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the radius of curvature or the inner diameter of the semicircular structure may be 1 nm to 100 nm, and the thickness of the nanowire may be 1 nm to 100 nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노와이어 소자는 다이오드, 트렌시터, 및 메모리로 동작할 수 있다.The nanowire device according to one embodiment of the present invention may operate as a diode, a transistor, and a memory.
도 1은 오옴(Ohm)의 법칙에 따른 확산(diffusive) 모델을 설명하는 도면이다.
도 2는 통상적인 홀(Hall)효과의 측정 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 나노 소자의 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.
도 4는 직선 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.
도 5는 오메가 구조 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.
도 6a 및 도 6b은 오메가 구조의 효과를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 오메가 구조를 적용한 액티브 소자를 설명하는 단면도이다.
도 8a 및 도 8b은 본 발명의 일 실시예에 따른 오메가 구조를 적용한 액티브 소자를 설명하는 사시도이다.
도 9는 오메가 구조를 가진 나노 와이어에서의 전도효과를 몬테카를로((Monte-Carlo) 시뮬레이션으로 확인한 결과이다.
도 10은 2 개의 오메마 구조를 가진 나노 와이어를 전자들이 충돌한 점으로 나타낸 것이다.
도 11은 전자들의 평균자유경로(mean free path)가 20 nm인 경우 +/-10, 0 T 의 자기장에 대한 인가 전기장에 대한 전류의 경향성이다.
도 12는 전자들의 평균자유경로(mean free path)가 30 nm인 경우 +/-10, 0 T 의 자기장에 대한 인가 전기장에 대한 전류의 경향성이다.
도 13은 고정된 전기장 값(102, +/-106 V/m)에 대해서 자기장의 변화에 따른 전류를 계산한 결과이다.
도 14는 박막의 두께를 5 nm 로 얇게 한 경우 자기장 및 전기장에 따른 전류를 나타낸다.FIG. 1 is a diagram for explaining a diffusive model according to Ohm's law.
Fig. 2 is a diagram for explaining a measurement principle of a Hall effect in general.
3 is a view for explaining the Hall effect of the conductive nano device according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a Hall effect according to a two-band model of a linear nanowire.
5 is a view for explaining a Hall effect according to a two-band model of omega-structured nanowires.
6A and 6B are diagrams illustrating the effect of the omega structure.
7 is a cross-sectional view illustrating an active device to which an omega structure according to an embodiment of the present invention is applied.
8A and 8B are perspective views illustrating an active device to which an omega structure according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 9 is a result of confirming the conduction effect in a nanowire having an omega structure by a Monte-Carlo simulation.
10 shows nanowires having two ohmic structures with the collision of electrons.
FIG. 11 is a trend of current for an applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of electrons is 20 nm.
Figure 12 is a trend of current for an applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of electrons is 30 nm.
13 shows the result of calculating the current according to the change of the magnetic field with respect to the fixed electric field value (10 2 , +/- 10 6 V / m).
Fig. 14 shows currents according to the magnetic field and electric field when the thickness of the thin film is reduced to 5 nm.
본 발명의 일 실시예에 따른 나도 와이어 소자는 금속으로 이루어진 나노 와이어 구조에서 오메가 구조 (Omega, Ω-structure)를 이용한다. 오메가 구조는 금속 나노 와이어의 중간에 수 내지 수십 nm 의 반지름을 가진 오메가 모양의 반원구조의 나노 와이어를 의미한다. 상기 오메가 구조는 비선형 전도 특성을 보일 수 있다. 상기 오메가 구조를 포함하는 소자는 액티브 소자로 동작할 수 있다.The wire element according to an embodiment of the present invention uses an omega (Omega) structure in a nanowire structure made of metal. The omega structure means a nanowire having an omega-shaped semicircular structure having a radius of several to several tens of nanometers in the middle of the metal nanowire. The omega structure may exhibit nonlinear conduction properties. The device including the omega structure can operate as an active device.
도 1은 오옴(Ohm)의 법칙에 따른 확산(diffusive) 모델을 설명하는 도면이다. FIG. 1 is a diagram for explaining a diffusive model according to Ohm's law.
도 1을 참조하면, 일반적인 금속의 전도 모델은 경우 오옴(Ohm)의 법칙을 따를 수 있다. 오옴의 법칙에 따르면, 인가한 전압(V)에 비례하는 전류(J)가 흐른다. 이 경우, 전류와 전압이 비례하는 선형적인 저항 소자가 형성된다. 만약에 도체 시료(100)의 양단간의 전압차이가 없을 경우, 도체 시료(100) 내부에서 열적 요동에 의해서 무질서하게 운동하는 전자들의 움직임이 평균적으로 영(zero)이 된다. 따라서, 양쪽 방향으로 흐르는 전류가 상쇄되어 전류의 값이 영(zero) 이 된다. Referring to FIG. 1, a general metal conduction model can follow Ohm's law. According to Ohm's law, a current (J) proportional to the applied voltage (V) flows. In this case, a linear resistance element in which the current and the voltage are proportional is formed. If there is no voltage difference between both ends of the
만약에 양단간에 유한한 전압이 인가되면, 양쪽으로 움직이는 전자들의 흐름이 상쇄되지 않고 한쪽 방향이 우세해져서 전류가 소위 유동 속도로 흐르게 된다. 이와 같은 전도 모델은 금속의 경우 대부분의 전도현상을 설명할 수 있다. 이러한 모델을 확산(diffusive) 모델이라고 한다. 이 확산 모델의 가정은 도체 시료의 기하학적 크기(scale)가 이 전자들의 평균자유경로(mean free path) 보다 매우 큰 경우에 적용된다.If a finite voltage is applied between both ends, the flow of electrons moving in both directions is not canceled, and one direction becomes dominant so that the current flows at the so-called flow velocity. Such conduction models can account for most of the conduction phenomena in the case of metals. This model is called a diffusive model. The assumption of this diffusion model applies when the geometric scale of the conductor sample is much larger than the mean free path of these electrons.
전자의 평균자유경로보다 작은 크기의 도체 시료(100)의 경우, 도체 시료의 전도도는 도체 시료의 기하학적 크기에 관계없이 발라스틱(ballistic) 모델에 의해서 양자화된 전도도(conductance quantum)(G0 = 2e2/h)와 전도 채널의 수에 의해서 결정된다는 것이 잘 알려져 있다. 이것은 란다우 공식(Landauer Formula)이다.For a
일반적인 금속에서, 전자의 평균자유경로(mean free path)의 크기는 상온에서 대략 3 내지 30 nm 에서 저온에서 수백 nm일 수 있다. 평균자유경로(mean free path) 정도의 곡률 반경을 가진 오메가 구조를 가진 나노 와이어에서 발현되는 비선형 전도 특성을 이용한 액티브 소자에 대해 설명하고자 한다. In a common metal, the size of the mean free path of electrons may be from about 3 to 30 nm at room temperature to a few hundred nm at low temperatures. We describe an active device using nonlinear conduction characteristics expressed in nanowires with an omega structure with a radius of curvature equal to the mean free path.
도 2는 통상적인 홀(Hall)효과의 측정 원리를 설명하는 도면이다.Fig. 2 is a diagram for explaining a measurement principle of a Hall effect in general.
도 2를 참조하면, 선형의 도체 시료(100)는 x축 방향으로 연장되고, z축 방향의 자기장(B)이 인가된다. 이 경우, 로렌츠 힘(Lorentz forece)에 의해서 전도 전자들의 궤적(T)은 직선이 아닌 곡선을 그리게 된다. 따라서, 도체 시료(100)의 한쪽 면에 전자들이 축적되면서 양단간에 전위차가 발생하게 된다. 이렇게 축적된 전하는 홀(Hall) 전압을 발생시킨다. 상기 홀 전압은 홀 전기장(EH)에 비례한다. 이때 전자는 홀 전기장에 의해 힘을 받아서 자기장에 의한 효과가 상쇄되어, 다시 직선 궤적을 그리게 된다.Referring to FIG. 2, a
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 나노 소자의 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.3 is a view for explaining the Hall effect of the conductive nano device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 도전성 나노 와이어(200)는 오메가 구조를 가진다. 상기 도전성 나노 와이어(200)는 x축 방향으로 진행하면서 x-y 평면에서 반원 형상의 오메가 구조를 포함한다. z축 방향의 자기장(B)이 인가된다. 상기 도전성 나노 와이어(200)는 Bi, Ga, W, Zn, Cd, Re. Sn, Pb, Pd, Pt, Mg, Fe일 수 있다. 또는, 상기 도전성 나노 와이어(200)는 Au, Cu, Ag, In, K, Ni, Nb, Al일 수 있고, 이 물질들의 합금일 수 있다. 상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.Referring to FIG. 3, the
전자가 오른쪽에서 왼쪽으로 진행할 경우, 자기장(B)에 의한 로렌츠 힘에 의해서 곡선을 그리는 전자의 궤도는 오메가 구조와 같은 방향이 된다. 전자가 그리는 곡률 때문에, 전자는 나노와이어의 계면에서의 충돌 확률을 낮출 수 있다. When the electron advances from right to left, the orbit of the electron that draws the curve by the Lorentz force by the magnetic field (B) becomes the same direction as the omega structure. Because of the curvature the electrons draw, electrons can lower the probability of collisions at the nanowire interface.
반대로 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하는 전자의 경우, 자기장(B)에 의해서 계면과의 충돌 확률이 증가하게 된다. 따라서, 자기장(B)의 방향과 전자의 진행방향에 의해 평균자유경로(mean free path)가 영향을 받게 된다. 이에 따라 저항값이 결정된다.Conversely, in the case of electrons moving from left to right, the probability of collision with the interface increases due to the magnetic field (B). Therefore, the mean free path is affected by the direction of the magnetic field (B) and the traveling direction of electrons. Thus, the resistance value is determined.
로렌츠 힘에 의해서 발생한 홀(Hall) 전압은 로렌츠 힘과는 반대방향으로 작용한다. 이에 따라, 홀(Hall) 전압은 로렌츠 힘에 의한 효과를 상쇄시켜서 홀(Hall) 효과에 의해서 생기는 전자의 곡선운동이 상쇄될 수 있다. 따라서, 가장 단순한 금속의 경우, 위의 예상한 효과는 없어지고, 가로 홀 저항(Transverse Hall resistance)는 영(zero)이 된다. 그렇지만, 실험적으로는 항상 유한한 크기의 가로 홀(Hall) 저항이 측정된다. 이 모순은 투밴드(two-band) 모델에 의해서 설명이 가능하다. 즉, 단일 밴드(single band) 금속이 아닌 경우, 페르미 준위(Fermi level)에 여러 개의 밴드가 걸쳐 있는 경우, 가로 홀 효과(Transverse Hall effect)가 생기는 것을 설명할 수 있다. The Hall voltage generated by the Lorentz force acts in the opposite direction to the Lorentz force. Accordingly, the Hall voltage cancels the effect of the Lorentz force, so that the curvilinear motion of the electrons caused by the Hall effect can be canceled. Thus, for the simplest metal, the expected effect is eliminated and the transverse Hall resistance becomes zero. However, experimentally, the Hall-effect resistance of a finite size is always measured. This contradiction can be explained by a two-band model. That is, it can be explained that a transverse Hall effect occurs when a plurality of bands are spread at a Fermi level in a case where the band is not a single band metal.
도 4는 직선 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.4 is a view for explaining a Hall effect according to a two-band model of a linear nanowire.
도 5는 오메가 구조 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.5 is a view for explaining a Hall effect according to a two-band model of omega-structured nanowires.
도 4 및 도 5를 참조하면, 투밴드(Two-band) 모델 혹은 멀티밴드(multi-band) 모델에 의하면, 로렌츠 힘에 의해서 유한한 홀(Hall) 전압이 생긴다. 상기 홀(Hall) 전압이 생기는 방향으로 알짜 전류는 영(zero)이다. 하지만, 서로 다른 밴드(band)에 속한 전하들이 받는 로렌츠 힘과 홀(Hall) 전압에 의한 힘은 상쇄되지 않는다. 따라서, 전하들이 서로 다른 반대방향으로 휘게 된다. 따라서 앞에서 논의한 오메가 구조의 효과는 여전히 유효하다. 하지만, 그 크기는 금속의 종류에 따라서 크게 달라질 것이다. Referring to FIGS. 4 and 5, according to a two-band model or a multi-band model, a finite Hall voltage is generated by the Lorentz force. The net current in the direction of the Hall voltage is zero. However, the forces due to the Lorentz force and the Hall voltage received by the charges belonging to different bands are not canceled. Thus, the charges are bent in different opposite directions. Therefore, the effect of the omega structure discussed above is still valid. However, its size will vary greatly depending on the type of metal.
도 6a 및 도 6b은 오메가 구조의 효과를 설명하는 도면이다.6A and 6B are diagrams illustrating the effect of the omega structure.
도 6a 및 도 6b을 참조하면, 투밴드(two-band) 모델을 적용하면, 오메가 구조의 효과가 설명될 수 있다. 당연히 오메가 구조의 효과는 금속의 밴드 구조에 크게 의존하게 된다. 이와 같은 오메가 구조의 전도 특성을 이용하면, 자기장(B)의 방향과 전류의 방향에 따라서 전도 특성이 크게 바뀐다. 따라서, 오메가 구조의 나노와이어는 다이오드 특성을 보일 수 있다. 즉, 교류에 대해서 한 방향의 전류만이 흐를 수 있다. 따라서, 단순한 금속 오메가 나노 와이어 구조에서 다이오드 특성이 보일 수 있다.Referring to FIGS. 6A and 6B, when the two-band model is applied, the effect of the omega structure can be described. Of course, the effect of the omega structure is highly dependent on the band structure of the metal. Using the conduction characteristics of such an omega structure, the conduction characteristics change greatly depending on the direction of the magnetic field B and the direction of the current. Therefore, nanowires of omega structure can show diode characteristics. That is, only one directional current can flow through the alternating current. Thus, diode characteristics can be seen in a simple metal Omega nanowire structure.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 오메가 구조를 적용한 액티브 소자를 설명하는 단면도이다.7 is a cross-sectional view illustrating an active device to which an omega structure according to an embodiment of the present invention is applied.
도 7를 참조하면, 오메가 구조의 상단 부분과 하단 부에 게이트(gate) 전압(VG)을 인가하여, 유효 홀 전압을 조절할 경우, 오메가 구조의 효과가 증가하거나, 감소할 것이다. 따라서, 흐르는 전류(I)를 상기 게이트 전압(VG)으로 조절 할 수 있는 필드 효과 트렌지스터(Field Effect Transistor) 구조가 구현될 수 있다.Referring to FIG. 7, when the gate voltage (V G ) is applied to the upper and lower portions of the omega structure to control the effective Hall voltage, the effect of the omega structure will increase or decrease. Therefore, a field effect transistor structure capable of adjusting the flowing current I to the gate voltage V G can be implemented.
나노 와이어 소자(10)는 반원 구조(오메가 구조; 202)를 가진 도전성의 나노와이어(200), 상기 반원 구조의 상부면 배치된 제1 전극(250), 및 상기 반원 구조의 하부면에 배치된 제2 전극(220)을 포함한다. 상기 제1 전극(250)과 상기 제2 전극(220) 사이에 전압(VG)을 인가하여 상기 나노 와이어(200)의 양단에 흐르는 전류(I)를 제어한다. The
기판(210) 상에 절연 구조체(232)가 패터닝 공정을 통하여 형성될 수 있다. 상기 절연 구조체(232)는 상부면의 일부는 일정한 곡률을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 절연 구조체에 도전성 막이 증착되고, 이어서 패터닝 공정을 통하여, 상기 도전성 막은 패터닝 공정을 통하여 제2 전극을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극은 일정한 곡률을 가질 수 있다. 이어서, 상기 제2 전극 상에 제2 절연체가 증착된다. 상기 제2 절연체는 필요에 따라 패터닝될 수 있다. An insulating
상기 제2 정열체가 증착된 후, 상기 기판 상에 도전성 물질이 증착될 수 있다. 상기 도전성 물질은 패터닝되어 나노 와이어(200)를 형성할 수 있다. 상기 나노 와이어의 반원 구조는 상기 제2 전극과 정렬될 수 있다. After the second heating element is deposited, a conductive material may be deposited on the substrate. The conductive material may be patterned to form the
상기 나노 와이어 상에 제1 절연체가 증착될 수 있다. 상기 제1 절연체 상에 도전체가 증착되고 패터닝되어 제1 전극(250)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(250)은 상기 제2 전극(220)과 정렬될 수 있다.A first insulator may be deposited on the nanowire. A conductor may be deposited on the first insulator and patterned to form the
기판(210) 상에 나노 와이어가 배치될 수 있다. 상기 기판은 반도체 기판, 플라스틱, 또는 유리 기판일 수 있다. 상기 나노 와이어 소자(10)는 Bi, Ga, W, Zn, Cd, Re. Sn, Pb, Pd, Pt, Mg, Fe 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.Nanowires may be disposed on the
제1 절연체(240)는 상기 제1 전극과 상기 나노와이어 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 절연체(240)는 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx), 또는 타이타늄 산화막(TiOx)일 수 있다. 상기 제1 절연체(240)는 상기 반원 구조(202) 상에 배치될 수 있다.A
제2 절연체(230)는 상기 제2 전극(220)과 상기 상기 반원 구조(202) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 절연체(230)는 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx), 또는 타이타늄 산화막(TiOx)일 수 있다. A
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 인가되는 게이트 전압은 상기 반원 구조의 대칭 중심축 방향의 전기장을 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 반원 구조 또는 오메가 구조에 의한 비선형 현상을 유발할 수 있다.The gate voltage applied between the first electrode and the second electrode may apply an electric field in the direction of the center axis of symmetry of the semicircular structure. Thus, the nonlinear phenomenon due to the semicircular structure or the omega structure can be caused.
도 8a 및 도 8b은 본 발명의 일 실시예에 따른 오메가 구조를 적용한 액티브 소자를 설명하는 사시도이다.8A and 8B are perspective views illustrating an active device to which an omega structure according to an embodiment of the present invention is applied.
도 8a 및 도 8b을 참조하면, 나노 와이어 소자(20)는 반원 구조(202)의 도전성의 나노 와이어(200), 및 상기 반원 구조가 배치된 평면에 접촉하여 배치된 강자성체(204)를 포함할 수 있다. 상기 강자성체(204)의 자화 방향에 따라 상기 나노 와이어에 흐르는 전류의 세기가 변경될 수 있다. 상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고, 상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 상기 강자성체(204)의 자화 방향은 상기 반원 구조의 배치 평면에 수직할 수 있다.8A and 8B, a
상기 강자성체(204)은 수직자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy)을 가진 전이금속(Fe, Co, Ni)-희토류금속 (Tb, Sm, Nd, Gd, Dy, Ho, Er, Pt, Pd, Au,)의 합금이나 다층 박막일 수 있다.The
오메가 구조(202)의 나노 와이어(200) 상에 수직자기 이방성을 가진 강자성체(204)를 추가할 경우, 강자성체의 자화방향(M)에 따라서 전류가 잘 흐르는 방향이 정해질 수 있다. 강자성체(204)의 자화방향에 따라, "0" 또는 "1" 상태를 나타내는 비휘발성 메모리로 사용이 가능하다. 강자성체(204)의 자화방향은 상기 강자성체의 배치평면에 수직할 수 있다. 이 때, 상기 오메가 구조에 흐르는 전류를 이용해서 스핀 홀 토크(Spin Hall Torque) 효과나 라쉬바(Rashba) 효과 등으로 강자성체의 자화방향을 스위칭하는 것이 가능하므로 정보의 기록 또한 가능하다.When the
도 9는 오메가 구조를 가진 나노 와이어에서의 전도효과를 몬테카를로((Monte-Carlo) 시뮬레이션으로 확인한 결과이다. FIG. 9 is a result of confirming the conduction effect in a nanowire having an omega structure by a Monte-Carlo simulation.
도 9를 참조하면, 대칭적인 2 개의 오메가 구조를 가진 나노 와이어를 정의한다. 중심의 x축 좌표는 영이다. 나노 와이어의 하부면의 y축 좌표는 영이다. 나노 와이어를 이루는 박막의 두께는 20 nm이다. 나노 와이어의 중앙부에서 출발한 전자들이 열적 요동에 의한 무작위 운동과 전기장과 자기장에 의한 효과를 함께 고려한 운동 끝에 양쪽 끝 단에 도달하는 경우를 계산하고, 그 차이를 전류로 정의하여 계산하였다. Referring to FIG. 9, a nanowire having two symmetric omega structures is defined. The x-axis coordinate of the center is zero. The y-axis coordinate of the bottom side of the nanowire is zero. The thickness of the nanowire film is 20 nm. We calculated the cases where the electrons starting from the center of the nanowire reached both ends after the movement considering the random motion due to the thermal fluctuation and the effect of the electric field and the magnetic field, and calculated the difference as the current.
전자들이 지나간 흔적들이 도시되었다. 2 개의 오메가 구조가 전자들의 충돌에 의해서 보여진다. Traces of electrons have been shown. Two omega structures are shown by collisions of electrons.
도 10은 2 개의 오메마 구조를 가진 나노 와이어를 전자들이 충돌한 점으로 나타낸 것이다. 10 shows nanowires having two ohmic structures with the collision of electrons.
도 10을 참조하면, 오메가 구조의 내경은 각각 30 nm 로 하고, 외경은 내경과 박막의 두께의 합으로 정했다. 나노 와이어를 이루는 박막의 두께는 20 nm이다.Referring to FIG. 10, the inner diameter of the omega structure is 30 nm, and the outer diameter is defined as the sum of the inner diameter and the thickness of the thin film. The thickness of the nanowire film is 20 nm.
이때, 전자의 평균자유경로(mean free path)는 20 nm 내지 30 nm 로 설정하였다. 시뮬레이션의 효과를 극대화 하기 위해서 +/-106 V/m 의 전기장과 +/- 10 T 의 자기장을 인가하고 200,000 개의 전자에 대한 계산을 수행하였다. 통계적으로 의미있는 몬테카를로 시뮬레이션의 결과를 얻기 위해서는 더 많은 수의 전자들을 좀 더 현실적인 전기장과 자기장 크기에 대한 운동을 계산하여야 한다. 하지만, 여기서는 정량적인 결과가 아닌 경향성을 확인하기 위한 것이므로, 계산시간의 단축과 효과의 극대화를 위해서 지나치게 큰 전기장과 자기장을 사용하였으므로, 실제 실험에서의 효과는 시뮬레이션을 통해서 얻은 값에 비해서 상당히 작을 것이다. 또한, 이 시뮬레이션에서는 홀 전압에 의한 상쇄 효과를 고려하지 않았으므로, 실제 오메가 구조의 효과의 크기는 실험을 통하여 확인이 필요하다. 그렇지만, 이 시뮬레이션에서 얻은 현상 자체는 존재함이 자명하다.At this time, the mean free path of electrons was set to 20 nm to 30 nm. In order to maximize the effect of the simulation, an electric field of +/- 10 6 V / m and a magnetic field of +/- 10 T were applied and the calculation for 200,000 electrons was performed. To obtain statistically meaningful Monte Carlo simulation results, we need to calculate the motion for a larger number of electrons and for a more realistic electric field and magnetic field size. However, since this is to confirm the tendency, not the quantitative result, the effect in the actual experiment is considerably smaller than the value obtained through the simulation since an excessively large electric field and magnetic field are used to shorten the calculation time and maximize the effect . Also, since this simulation does not consider the offset effect due to the Hall voltage, the magnitude of the effect of the actual omega structure needs to be verified through experiments. However, the phenomenon obtained in this simulation is self-evident.
도 11은 전자들의 평균자유경로(mean free path)가 20 nm인 경우 +/-10, 0 T 의 자기장에 대한 인가 전기장에 대한 전류의 경향성이다.FIG. 11 is a trend of current for an applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of electrons is 20 nm.
도 12는 전자들의 평균자유경로(mean free path)가 30 nm인 경우 +/-10, 0 T 의 자기장에 대한 인가 전기장에 대한 전류의 경향성이다.Figure 12 is a trend of current for an applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of electrons is 30 nm.
도 11 및 도 12를 참조하면, 자기장(Hz)이 없을 경우 원점을 지나는 직선은 오옴의 법칙을 의미한다. 자기장이 +10 T (Tesla)인 경우와 -10 T인 경우, 전자의 방향에 따라서 더 큰 전류나 혹은 더 작은 전류가 흐른다. 그 효과는 당연히 평균 자유 경로(meam free path)가 클수록 증가한다. 특히, 시뮬레이션에서에서 인가한 전기장의 값이 매우 큰 값이다. 10 T 자기장에 의한 효과가 전기장에 의한 전류의 증가와 비슷한 수준(order)의 전류의 변화를 일으킨 다는 것은 오메가 구조의 효과가 매우 크다는 것을 의미한다.11 and 12, a straight line passing through the origin when there is no magnetic field (Hz) means the Ohm's law. If the magnetic field is +10 T (Tesla) and -10 T, a larger or smaller current flows along the direction of the electron. The effect naturally increases as the mean free path increases. In particular, the value of the electric field applied in the simulation is very large. The fact that the effect of the 10 T magnetic field causes a change in the electric current of an order similar to the increase of the current due to the electric field means that the effect of the omega structure is very large.
예를 들어, 전기장이 크지 않을 때는 자기장의 방향에 의해서 전류의 방향이 결정될 수 있다. 이는 오메가 구조의 효과가 저항의 크기를 바꾸는 정도가 아니라 저항의 부호를 바꿀 정도로 클 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 메모리 소자로 사용시 전류의 부호로 기록된 정보의 값을 판독할 수 있게 된다. For example, when the electric field is not large, the direction of the current can be determined by the direction of the magnetic field. This means that the effect of the omega structure can be large enough to change the sign of the resistance, not to the extent of changing the magnitude of the resistance. Therefore, it becomes possible to read the value of the information recorded with the sign of the current in use as the memory element.
도 13은 고정된 전기장 값(102, +/-106 V/m)에 대해서 자기장의 변화에 따른 전류를 계산한 결과이다.13 shows the result of calculating the current according to the change of the magnetic field with respect to the fixed electric field value (10 2 , +/- 10 6 V / m).
도 13을 참조하면, 예상한 바와 같이 자기장(H)에 의해서 전류의 방향과 세기가 변한다. 이때, 변화의 크기는 전기장에 의한 효과에 상응할 수 있다. 이 결과는 30 nm 의 평균 자유 경로(mean free path)와 20 nm 두께의 박막에 대해서 계산되었다. Referring to FIG. 13, the direction and intensity of the current are changed by the magnetic field H as expected. At this time, the magnitude of the change may correspond to the effect of the electric field. The results were calculated for a mean free path of 30 nm and a thin film of 20 nm thickness.
도 14는 박막의 두께를 5 nm 로 얇게 한 경우 자기장 및 전기장에 따른 전류를 나타낸다.Fig. 14 shows currents according to the magnetic field and electric field when the thickness of the thin film is reduced to 5 nm.
도 14를 참조하면, 이 전도현상에서는 계면에서의 충돌이 증가할 수록 효과가 증대된다. 박막의 두께를 5 nm 로 얇게 한 경우,전류가 증가된다. 따라서, 오메가 구조의 효과는 박막의 두께, 오메가 구조의 반경, 평균자유경로(mean free path) 등에 의존한다.Referring to Fig. 14, in this conduction phenomenon, the effect increases as the collision at the interface increases. If the thickness of the thin film is reduced to 5 nm, the current is increased. Therefore, the effect of the omega structure depends on the thickness of the thin film, the radius of the omega structure, the mean free path, and the like.
실제 오메가 구조는 수십 nm 크기의 나노 구조물일 수 있다. 이러한 구조는 현재의 나노 공정의 기술 또는 전자빔 리소그래피를 사용할 경우 큰 어려움 없이 제작될 수 있다. 특히 최근 실용화되고 있는 FinFET 구조와 공정면에서 매우 유사하다. 이때, 사용 가능한 물질은 모든 종류의 금속과 반도체가 가능하지만, 가급적이면 가로 홀 저항(Transvere Hall Resiatance) 효과가 크고, 평균자유경로(mean free path)가 큰 물질이 바람직할 수 있다. 또한, 오메가 구조의 크기가 평균자유경로와 비슷해지고, 자기장에 의한 곡률반경인 mv/qB(m : 전자의 유효질량, v 전자의 속도, q 전자의 전하량, B 자기장) 값과 비슷해 질수록 효과가 극대화될 수 있다. 소자의 크기를 감소시킬 수록, 비선형 전도 특성은 더 증가한다.The actual omega structure may be a nanostructure of several tens of nanometers in size. Such a structure can be fabricated without the difficulty of using current nano process technology or electron beam lithography. Particularly, it is very similar to FinFET structures and processes which have been recently put into practical use. At this time, usable materials may be all kinds of metals and semiconductors, but it is preferable that a material having a large transverse Hall resistance effect and a large mean free path is preferable. Also, the size of the omega structure becomes similar to the mean free path, and the closer to the value of mv / qB (m: the effective mass of the electron, the velocity of the v electrons, the charge of the q electrons, the B magnetic field) Can be maximized. As the size of the device is reduced, the nonlinear conduction characteristic is further increased.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 와이어 소자는 오메가 구조와 자기장의 존재에 의해서 전도 전자의 운동에 있어서 대칭성을 깨뜨리기 때문에 발생하는 효과를 이용한다. 만약 전기장 없이 자기장만 인가해도 유한한 전류가 흐르는 결과가 시뮬레이션에서 나타난다. 이 결과가 의미하는 것은 실제로 전류가 흐르기 보다는 오메가 구조의 양단간에 유한한 전압이 형성될 수 있다. 금속 나노 와이어에서 강유전체처럼 분극된 상태가 가능하다. The nanowire device according to an embodiment of the present invention utilizes the effect generated by breaking symmetry in the movement of conduction electrons due to the presence of omega structure and magnetic field. If a magnetic field is applied without an electric field, the result of finite current flow appears in the simulation. This means that a finite voltage can be formed across the omega structure rather than a current flow. The metal nanowire can be poled like a ferroelectric.
10: 나노 와이어 소자
200: 나노와이어
202: 반원 구조(오메가 구조)
250: 제1 전극
220: 제2 전극10: Nanowire element
200: nanowire
202: Semicircular structure (Omega structure)
250: first electrode
220: second electrode
Claims (5)
상기 반원 구조의 상부면 배치된 제1 전극; 및
상기 반원 구조의 하부면에 배치된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 나노 와이어의 양단에 흐르는 전류를 비선형 전도 특성에 의하여 제어하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.A conductive metal nanowire having a semicircular structure;
A first electrode disposed on the upper surface of the semicircular structure; And
And a second electrode disposed on a lower surface of the semicircular structure,
Wherein a voltage is applied between the first electrode and the second electrode to control a current flowing between both ends of the nanowire by nonlinear conduction characteristics.
상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고,
상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.The method according to claim 1,
Wherein the semi-circular structure has a radius of curvature or an inner diameter of 1 nm to 100 nm,
Wherein the nanowire has a thickness of 1 nm to 100 nm.
상기 제1 전극과 상기 나노 와이어 사이에 배치된 제1 절연체; 및
상기 제2 전극과 상기 나노 와이어 사이에 배치된 제2 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.The method according to claim 1,
A first insulator disposed between the first electrode and the nanowire; And
And a second insulator disposed between the second electrode and the nanowire.
상기 반원 구조가 배치된 평면에 접촉하여 배치된 강자성체를 포함하고,
상기 강자성체는 수직자기 이방성을 가지고,
상기 자성체의 자화 방향에 따라 상기 나노 와이어에 흐르는 전류의 세기가 비선형 전도 특성에 의하여 변경되는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.A conductive metal nanowire having a semicircular structure; And
And a ferromagnetic body arranged in contact with the plane on which the semicircular structure is disposed,
The ferromagnetic material has vertical magnetic anisotropy,
Wherein the intensity of a current flowing through the nanowire is changed by a nonlinear conduction characteristic according to a magnetization direction of the magnetic body.
상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고,
상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.
5. The method of claim 4,
Wherein the semi-circular structure has a radius of curvature or an inner diameter of 1 nm to 100 nm,
Wherein the nanowire has a thickness of 1 nm to 100 nm.
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