KR20060105949A - Hybrid type ferromagnet/ semiconductor nano wire spin device and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노 크기의 선(nano wire)을 스핀전달체로 활용하는 하이브리드형 자성체/반도체 나노선 스핀소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 특히, 강자성체로부터 스핀분극된 캐리어를 반도체 나노선에 주입하여 얻어지는 스핀밸브 및 스핀축적효과로부터 메모리 및 논리소자로 응용이 가능한 반도체 나노선 기반 스핀주입소자 및 스핀 전계효과 트랜지스터 제조기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid magnetic material / semiconductor nanowire spin device using a nano-sized wire as a spin carrier and a method of manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a semiconductor nanowire-based spin injection device and a spin field effect transistor manufacturing technology which can be applied to memory and logic devices from spin valves and spin accumulation effects obtained by injecting carriers polarized from ferromagnetic materials into semiconductor nanowires.
이에, 본 발명은 기판 상에 분산된 나노선과; 상기 나노선 상에 형성된 자성체의 소스 영역; 상기 소스 영역으로부터 주입된 스핀이 나노선을 통과한 후, 스핀이 검출되는 상기 나노선 상에 형성된 자성체의 드레인 영역을 포함하는 하이브리드형 자성체/반도체 나노선 스핀소자를 제시한다. 또한, 본 발명은 기판 위에 캐리어가 이동하는 채널 역할의 나노선을 형성하는 단계와; 상기 나노선 채널 위에 자성체 또는 자성반도체의 소스 및 드레인 영역을 형성하는 단계; 및 상기 소스 영역 및 드레인 영역에 자기장을 가하면서 열처리하는 단계를 포함하는 하이브리드형 자성체/반도체 나노선 스핀소자 제조방법을 제시한다.Thus, the present invention is a nanowire dispersed on a substrate; A source region of a magnetic material formed on the nanowires; After the spin injected from the source region passes through the nanowire, a hybrid magnetic material / semiconductor nanowire spin device including a drain region of a magnetic material formed on the nanowire where the spin is detected is provided. In addition, the present invention comprises the steps of forming a nanowire acting as a channel to move the carrier on the substrate; Forming source and drain regions of a magnetic material or a magnetic semiconductor on the nanowire channel; And a heat treatment while applying a magnetic field to the source region and the drain region.
스핀주입소자, 반도체 나노선, 자성체/반도체 구조, 자기저항, 스핀밸브, 스핀분극 전계효과 트랜지스터 Spin injection device, semiconductor nanowire, magnetic / semiconductor structure, magnetoresistance, spin valve, spin polarization field effect transistor
Description
도 1은 나노선 위치확인용 좌표와 Ti/Au 패드를 만들어 놓은 기판의 사진이다.1 is a photograph of a substrate on which nanowire positioning coordinates and a Ti / Au pad are made.
도 2는 본 발명에서 제작된 실제 스핀소자의 사진이다.Figure 2 is a photograph of the actual spin device produced in the present invention.
도 3은 본 발명에서 제작한 나노선을 이용한 스핀주입소자의 모식도이다.Figure 3 is a schematic diagram of the spin injection device using a nanowire produced in the present invention.
도 4는 열처리 조건에 따라 다른 오믹(Ohmic) 거동을 보이는 Ni/GaN 나노선 사이의 전류-전압의 특성을 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing the characteristics of current-voltage between Ni / GaN nanowires showing different ohmic behaviors according to heat treatment conditions.
도 5a 및 도 5b는 GaMnN 나노선의 자기저항을 보여주는 그래프이다.5A and 5B are graphs showing the magnetoresistance of GaMnN nanowires.
도 6은 강자성체/나노선/강자성체로 이루어진 스핀주입소자에서 스핀축적으로 나타나는 전위차를 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing a potential difference appearing as a spin accumulation in a spin injection device made of ferromagnetic material / nanowire / ferromagnetic material.
도 7은 나노선 스핀 주입소자에 게이트 전극을 설치한 스핀분극 전계효과 트랜지스터(spin-polarized field effect transistor, spin FET)의 구조를 보여주는 모식도이다.FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a structure of a spin-polarized field effect transistor (spin FET) in which a gate electrode is provided in a nanowire spin injection device.
도 8은 반도체 나노선 동시합성법으로 제작한 자성반도체/반도체/자성반도체 일체형 나노선과 상기 나노선을 이용한 스핀분극 전계효과 트랜지스터의 구조를 보 여주는 모식도이다.FIG. 8 is a schematic diagram showing the structure of a magnetic semiconductor / semiconductor / magnetic semiconductor integrated nanowire and a spin polarization field effect transistor using the nanowire manufactured by the co-synthesis of semiconductor nanowires.
본 발명은 나노 크기의 선(nano wire)을 스핀전달체로 활용하는 하이브리드형 자성체/반도체 나노선 스핀소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 여기서, 나노선의 정의는 지름 1 ~ 300 nm, 길이 0.1 ~ 20 ㎛ 의 나노크기의 선(wire) 또는 막대(rod) 또는 튜브(tube), 산화물이나 다른 물질로 피복된 나노선(coaxial wire)를 모두 포함한다.The present invention relates to a hybrid magnetic material / semiconductor nanowire spin device using a nano-sized wire as a spin carrier and a method of manufacturing the same. Here, the definition of nanowires refers to nanoscale wires or rods or tubes, 1 to 300 nm in diameter and 0.1 to 20 μm in length, coated with oxide or other materials. It includes everything.
현재 반도체 전자소자는 전자의 두가지 물리적 특성인 전하와 스핀중에서 스핀을 무시하고 캐리어의 전하(음의 전하를 가진 전자와 양의 전하를 가진 정공)만을 전기장으로 제어하여 원하는 특성을 얻고 있다. 한편, 그동안 무시하여 왔던 기본적인 물리량인 스핀에 의존하는 전자이동(spin-dependent electron transport)을 활용하려는 노력이 꾸준히 진행되어 최근 전자의 전하와 함께 스핀의 자유도를 고려하여 전자소자를 개발하려는 새로운 연구분야인 스핀트로닉스(spintronics, spin과 electronics의 합성어) 기술이 큰 관심을 끌고 있다. 이는 기존의 전자소자와 비교하여 스핀전자소자의 고유 특성인 비휘발성(non-volatility)과 함께 초고속 및 초저전력 등의 특성을 가지고 있기 때문에 향후 나노기술의 발전과 함께 차세대 전자소자의 혁명적 성장을 주도할 것으로 전망되고 있다.Currently, the semiconductor electronic device ignores spin among two physical properties of electrons, the spin and the spin, and controls only the charge of the carrier (electrons with negative charges and holes with positive charges) with an electric field to obtain desired characteristics. Meanwhile, efforts to utilize spin-dependent electron transport, which is a basic physical quantity that has been ignored, have been steadily progressed, and a new field of research to develop electronic devices in consideration of spin freedom with the charge of electrons has recently been made. In-spintronics (synthetic of spin and electronics) technology is drawing a lot of attention. Compared with the existing electronic devices, it has characteristics such as non-volatility, which is inherent in spin electronic devices, and ultra-high speed and ultra low power, leading to revolutionary growth of next-generation electronic devices with the development of future nanotechnology. It is expected to do.
스핀트로닉스 연구분야의 가장 큰 관심은 전하와 스핀의 자유도를 동시에 고 려하여 메모리 및 논리용 트랜지스터를 구현하려는데 있다. 1990년 기존 CMOS소자의 소스와 드레인영역을 자성체로 대체하고 자성체로부터 반도체로 주입된 스핀의 세차운동(precession)을 게이트 전압으로 제어(Rashba effect)함으로써 스핀을 이용한 전계효과트랜지스터(spin FET)의 개념이 제안되었다. 이후 스핀-궤도결합이 큰 반도체(InAs 기반 2차원전자구름구조)등을 대상으로 spin FET를 구현하기 위한 많은 노력이 진행되어 왔다. Spin FET를 실현하기 위해서는 소스자성체로부터 반도체로의 원활한 스핀의 주입(spin injection), 반도체 내부에서 스핀방향의 변화 없이 드레인 영역으로 이동(transport), 게이트 전압을 인가하여 이동하는 스핀의 세차운동을 조절하여 스핀의 방향을 제어하는 조절(manipulation) 그리고 드레인 자성체에서 이동한 스핀의 검출 (detection)의 상기한 4가지 기구가 완벽하게 작동하여야 한다.The major interest in spintronics research is to implement transistors for memory and logic by considering charge and spin degrees of freedom at the same time. In 1990, the concept of a field effect transistor using spin by replacing the source and drain regions of a conventional CMOS device with a magnetic material and controlling the precession of the spin injected from the magnetic material into the semiconductor with a gate voltage. This has been proposed. Since then, many efforts have been made to implement spin FETs for semiconductors with large spin-orbit coupling (InAs-based two-dimensional electron cloud structures). To realize the spin FET, smooth spin injection from the source magnetic material to the semiconductor, transfer to the drain region without changing the spin direction inside the semiconductor, and the precession of the spin moving by applying a gate voltage are controlled. The above four mechanisms of manipulation to control the direction of the spin and detection of the spin moved in the drain magnetic material must be fully functional.
현재 기술수준은 가장 기초적인 스핀주입에 초점이 맞추어져 있는데 금속자성체와 반도체 사이의 계면을 효과적으로 제어하여 스핀주입효율이 크게 개선되고 있다. 스핀주입은 스핀축적(spin accumulation) 등과 같은 흥미로운 현상이 일으키는 것으로 보고 되었다. 주입된 스핀은 반도체 내부를 이동하면서 격자와의 충돌로 인해 스핀의 방향이 변화하게 되는데 주입된 스핀의 방향을 잃어버리는 최소거리를 스핀소멸거리 (spin relaxation length)라 한다. 스핀소멸거리 이내로 소스와 드레인을 설치하여야 하며 이와 같은 이유로 양자의 거리는 가까울 수록 강한 스핀신호를 얻을 수 있다. 한편, D’yakonov-Perel (D-P)기구에 의해 스핀이동 채널을 1차원 구조로 만들면 격자와의 충돌에 의한 스핀 세차운동의 소멸이 감소하여 스핀분 극률을 높일 수 있다.The current technology level is focused on the most basic spin injection, and the spin injection efficiency is greatly improved by effectively controlling the interface between the magnetic metal and the semiconductor. Spin injection has been reported to cause interesting phenomena such as spin accumulation. As the injected spin moves inside the semiconductor, the direction of the spin changes due to the collision with the lattice. The minimum distance that loses the direction of the injected spin is called a spin relaxation length. The source and drain should be installed within the spin extinction distance. For this reason, the closer the distance is, the stronger the spin signal is. On the other hand, when the spin shift channel is formed into a one-dimensional structure by the D'yakonov-Perel (D-P) mechanism, the spin precession caused by the collision with the lattice is reduced, thereby increasing the spin polarization rate.
이와 같은 점에 착안하여 본 발명에서는 나노선을 이용한 스핀주입 소자 그리고 이를 바탕으로 하는 나노선 기반 스핀전계효과 트랜지스터(spin FET)를 제공한다. 이 소자를 구현하기 위한 공정기술로서 합성직후 서로 엉켜 있는 반도체 나노선과 다량의 불순물들을 세정 및 분산하는 방법과 나노크기의 반도체 나노선에 자성전극을 형성하는 방법을 제안한다.With this in mind, the present invention provides a spin injection device using nanowires and a nanowire based spin field effect transistor (spin FET). As a process technology for realizing this device, a method of cleaning and dispersing entangled semiconductor nanowires and a large amount of impurities immediately after synthesis and a method of forming a magnetic electrode on nanoscale semiconductor nanowires are proposed.
이에, 본 발명의 목적은 강자성체로부터 스핀분극된 캐리어를 1차원 전도채널인 나노선에 주입하여 얻어지는 스핀밸브 효과로부터 메모리 및 논리소자로 응용이 가능한 스핀주입소자 및 스핀 전계효과 트랜지스터를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to manufacture a spin injection device and a spin field effect transistor which can be applied to memory and logic devices from the spin valve effect obtained by injecting a carrier spin-polarized from a ferromagnetic material into a nanowire, which is a one-dimensional conduction channel. To provide.
그와 더불어 본 발명은 나노선 위에 소스와 드레인 영역을 만드는 방법으로 나노선 위에 선택적으로 자성체를 접합 또는 이온주입(ion implantation)하여 소자를 만들 수 있으며, 또한 나노선 합성시 동시공정으로 자성금속을 도핑하여 자성반도체/반도체/자성반도체 구조가 하나의 나노선 위에 모두 형성된 스핀소자를 제조하는 데 있다.In addition, the present invention can make a device by selectively bonding or ion implanting a magnetic material on the nanowire by a method of making a source and a drain region on the nanowire, and also by using a simultaneous process in the nanowire synthesis Doping is to manufacture a spin device in which the magnetic semiconductor / semiconductor / magnetic semiconductor structures are all formed on one nanowire.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은 기판상에 분산된 나노선과, 나노선상에 형성된 자성체로 된 소스 영역, 소스로부터 주입된 스핀이 나노선을 통과한 후 스핀이 검출되는 상기 나노선상에 형성된 자성체로 된 드레인 영역을 포함하여 구성되는 하이브리드형 자성체/반도체나노선 스핀소자를 제공한 다.As a technical idea for achieving the above object, the present invention provides a nanowire dispersed on a substrate, a source region made of a magnetic material formed on the nanowire, and a spin line detected after the spin injected from the source passes through the nanowire. A hybrid magnetic material / semiconductor nanowire spin device comprising a drain region made of magnetic material formed in the present invention is provided.
이 때, 상기 자성체는 스핀분극(spin polarization)이 큰 자성금속으로서, Fe, Co, Ni, FeCo, NiFe 중에서 선택되거나, GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN, GaMnP, ZnMnO 등과 같은 자성반도체중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 또한, La(1-x)SrxMnO3 (LSMO), CrO2 등과 같이 스핀분극 100%의 반금속(half metal)을 사용할 수도 있다.In this case, the magnetic material is a magnetic metal having high spin polarization, and is selected from Fe, Co, Ni, FeCo, and NiFe, or any one selected from magnetic semiconductors such as GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN, GaMnP, and ZnMnO. One may be used, and a half metal having a spin polarization of 100% may be used, such as La (1-x) Sr x MnO 3 (LSMO), CrO 2 , or the like.
상기 나노선은 반도체로는 Si, Ge, GaAs, InAs, GaN, InSb, GaP, GaMnN, GaMnP, ZnO, ZnMnO 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.The nanowire may be any one selected from Si, Ge, GaAs, InAs, GaN, InSb, GaP, GaMnN, GaMnP, ZnO, and ZnMnO.
상기 소스 영역 및 드레인 영역은 적용되는 소자의 형태에 따라 5 ~ 2000 nm 범위의 선폭을 가지며, 서로 선폭이 다르게 형성되어 스핀 스위칭이 일정 자계범위에서 반평행하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 소스 영역 및 드레인 영역 사이의 간격은 10 nm ~ 5 ㎛ 의 범위가 적당하다. 이외에도 나노선 위에 마스크를 이용, 선택적으로 자성체를 이온주입 (ion implantation)하여 소스와 드레인 영역을 만들 수 있으며 또 반도체 나노선을 합성할 때 Mn, Co, Fe등을 선택적으로 도핑하여 자성반도체/반도체/자성반도체 접합이 하나의 나노선 위에 모두 형성된 소자를 만들 수 있다.The source region and the drain region have a line width in the range of 5 to 2000 nm depending on the type of device to be applied, and the line widths are different from each other so that the spin switching is antiparallel in a certain magnetic range. The interval between the source region and the drain region is suitably in the range of 10 nm to 5 μm. In addition, the source and drain regions can be made by ion implantation of magnetic materials selectively using a mask on the nanowires, and the magnetic semiconductor / semiconductor can be selectively doped by Mn, Co, Fe, etc. when synthesizing semiconductor nanowires. It is possible to create a device in which a magnetic semiconductor junction is all formed on one nanowire.
또한, 본 발명은 나노선을 캐리어가 이동하는 채널로 하고, 상기 나노선 채널 위에 자성체 또는 자성반도체로 소스 및 드레인 영역을 형성하고, 상기 자성체 소스 영역 및 드레인 영역에 자기장을 가하면서 열처리하는 것을 포함하는 하이브 리드형 자성체/반도체 나노선 스핀소자 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention includes a nanowire as a channel through which a carrier moves, forming a source and a drain region with a magnetic material or a magnetic semiconductor on the nanowire channel, and performing heat treatment while applying a magnetic field to the magnetic source and drain regions. Provided is a hybrid magnetic / semiconductor nanowire spin device manufacturing method.
상기 자성체와 반도체 나노선간의 접촉저항은 오믹(Ohmic) 또는 쇼트키(schottky)일 수 있다. 한편, 자성금속과 반도체 사이에 0.5 ~ 2 nm 범위의 두께로 Al2O3, AlN 등의 중간막을 삽입하여 터널링에 의한 스핀 주입을 발생시킬 수도 있다.The contact resistance between the magnetic material and the semiconductor nanowire may be ohmic or schottky. Meanwhile, an interlayer such as Al 2 O 3, AlN, or the like may be inserted between the magnetic metal and the semiconductor in a thickness range of 0.5 to 2 nm to generate spin injection by tunneling.
상기 열처리는 자성체의 장축 방향으로 0.5 ~ 5 kOe의 자기장을 가해 주면서 진공상태에서 100 ~ 600℃의 온도로 10 ~ 60 분간 열처리한다.The heat treatment is performed for 10 to 60 minutes at a temperature of 100 ~ 600 ℃ in a vacuum while applying a magnetic field of 0.5 ~ 5 kOe in the long axis direction of the magnetic material.
본 발명은 나노크기의 강자성체 전극을 이용하는 아주 민감한 소자로서 제작시 고도의 청정도와 단계별 이동이 매우 신속히 이루어져야 한다.The present invention is a very sensitive device using a nano-sized ferromagnetic electrode should be made very quickly with high cleanliness and step by step.
이하, 본 발명에 따른 자성체/반도체 나노선 소자의 제조방법 및 그 물리적 특성에 대하여 바람직한 실시 예를 통하여 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a magnetic body / semiconductor nanowire device according to the present invention and physical properties thereof will be described in detail with reference to preferred embodiments.
먼저, 기판으로 N-형 실리콘 웨이퍼를 준비하였다. 실리콘 표면에서 누설전류를 방지하기 위하여 열산화방법을 이용하여 실리콘 다이옥사이드층(SiO2)을 약 20 nm의 두께로 성장 시켰다. 이렇게 산화막을 성장시킨 후 dicing saw를 이용하여 시편을 10 × 10 mm로 절단하였다. 준비된 샘플의 실험 진행에 앞서 외부환경과의 오염원을 제거하기 위하여 표 1과 같은 세정공정을 실시하였다. 먼저, TCE, Acetone, Methanol, DI water를 사용하여 세정한 후, H2SO4 : H2O2 (4 : 1)의 비율로 혼합된 고온의 Acidic Solution에서 10분 동안 남아있는 표면의 유기물질과 잔존 메탈을 완전히 제거한 후 마지막으로 DI water를 사용하여 10분 동안 세척하고 질소 가스를 사용하여 건조시켰다.First, an N-type silicon wafer was prepared as a substrate. In order to prevent leakage current on the silicon surface, a silicon dioxide layer (SiO 2 ) was grown to a thickness of about 20 nm by thermal oxidation. After the oxide film was grown, the specimen was cut into 10 × 10 mm using a dicing saw. Prior to proceeding with the experiment of the prepared sample was performed a cleaning process as shown in Table 1 to remove the source of contamination with the external environment. Firstly, TCE, Acetone, Methanol, and DI water were used to clean the surface of organic materials remaining for 10 minutes in a hot acidic solution mixed at a ratio of H 2 SO 4 : H 2 O 2 (4: 1). After the remaining metals were completely removed and finally washed with DI water for 10 minutes and dried using nitrogen gas.
[표 1]실리콘 웨이퍼 세정공정Table 1 Silicon Wafer Cleaning Process
합성직후 나노선은 서로 엉켜 있고, 촉매로 이용되는 각형의 불순물들이 다량 나노선에 부착되어 있다. 또한, GaP반도체 나노선은 표면에 산화물이 형성되기 쉽다.불순물이나 산화물이 있는 경우 전기저항이 매우 높고 소자의 특성이 구현되지 않으므로 나노선의 세정 및 분산공정이 매우 중요하다. IPA(Isoprophyl alcohol)용액에 나노선을 성장시킨 기판을 집어 넣고 초음파 진동을 주면 나노선이 기판에서 떨어져 IPA용액과 섞이게 된다. 나노선에 붙어 있는 유기물이나 불순물등을 제거하기 위해서는 반도체 나노선의 산화되는 정도에 따라 서로 다른 두가지 방법을 사용하였다. GaN반도체 나노선과 같이 산화가 되지 않는 경우, 플라즈마 애셔(Plasm Asher)장비를 사용하여 산소플라즈마에칭을 하여 표면세정을 하였고 GaP와 같이 산화가 쉽게 일어나는 경우는 클로로폼(Chloroform)용액을 100℃로 끓인 후 이 용액에 넣어 세정을 완료하였다. 세정후 TEC, 아세톤(Acetone), 메틸 알콜(Methyl alcohol), DI water순으로 세척하였다.Immediately after synthesis, the nanowires are entangled with each other, and the angular impurities used as catalysts are attached to the nanowires. In addition, an oxide is easily formed on the surface of GaP semiconductor nanowires. In the presence of impurities or oxides, the electrical resistance is very high and the characteristics of the device are not realized, so the process of cleaning and dispersing nanowires is very important. When the nanowire-grown substrate is placed in an IPA (Isoprophyl alcohol) solution and subjected to ultrasonic vibration, the nanowire is separated from the substrate and mixed with the IPA solution. In order to remove organic substances or impurities on the nanowires, two different methods were used depending on the degree of oxidation of the semiconductor nanowires. If the oxidation does not occur like the GaN semiconductor nanowire, the surface is cleaned by oxygen plasma etching using a plasma asher. If the oxidation occurs easily like GaP, the chloroform solution is boiled at 100 ℃. It was then added to this solution to complete the cleaning. After washing, TEC, acetone (Acetone), methyl alcohol (Methyl alcohol), DI water was washed in the order.
나노선을 이용한 스핀소자는 매우 작은 크기이므로 직접 측정 할 수 없다. 따라서 저항이 작은 도체를 나노선 소자로부터 충분히 크게 제작하여 측정장비에 연결하여 측정할 수 있도록 하여야 한다. 이를 위하여 측정 시 가해준 인가전압을 소멸없이 강자성 전극에 전달할 수 있는 재료의 선정과, 전극과 패드간의 최적의 오믹(ohmic)접합을 이룰 수 있도록 패드(contact pad)를 디자인하는 것이 중요하다. 이를 위해서 선택한 재료는 금(Au)이다. 그런데 직접 금을 실리콘 기판 위에 증착하는 것은 두 재료 사이의 접합력이 좋지 않기 때문에 문제가 있어 사이에 티타늄(Ti)를 증착하여 문제점을 개선하였다. 접촉패드의 형성은 사진 노광공정을 이용하여야 하기 때문에 크롬(Cr)막이 쌓인 유리 마스크 위에 디자인한 패드를 제작하였다. 패터닝은 사진 노광장비를 이용하여 최적조건(AZ-5214 감광액을 시편위에 도포한 후, 스핀코터에서 4000 rpm으로 회전한 다음, 75℃의 오븐 속에서 약 15분간 baking을 한다)으로 준비된 시편에 자외선으로 약 4.5초간 감광시켜서 제작한 후 현상액에 담궈서 현상하였다. 패터닝 된 시편을 충분히 깨끗이 세척한 후, 위에서 언급한 두 재료(Ti/Au)를 순서대로 20 nm, 200 nm의 두께로 초기진공이 2 × 10-6 torr 상태인 스퍼터(sputter)를 사용하여 증착하였다. 이렇게 패드를 증착 한 후에는 패터닝 하기 위해 도포한 감광액을 제거하기 위해 아세톤을 사용하여 리프트 오프(lift-off)공정을 실시하였다. 이렇게 해서 Ti/Au 패드와 나노선의 위치를 확인 할 수 있는 좌표 (coordinates)를 패터닝 하였다.Spin devices using nanowires are very small and cannot be measured directly. Therefore, a small resistance conductor should be made large enough from the nanowire device so that it can be connected to measuring equipment and measured. For this purpose, it is important to select a material that can transfer the applied voltage applied to the ferromagnetic electrode without dissipation and to design a contact pad to achieve an optimum ohmic contact between the electrode and the pad. The material chosen for this is gold (Au). However, the direct deposition of gold on a silicon substrate is problematic because the adhesion between the two materials is poor, and the problem is improved by depositing titanium (Ti) between. Since the contact pad should be formed using a photolithography process, a pad designed on a glass mask having a chromium (Cr) film was fabricated. Patterning was performed using photo-exposure equipment to apply UV light to specimens prepared under optimal conditions (applying AZ-5214 photoresist on the specimen, rotating at 4000 rpm in a spin coater, and baking in an oven at 75 ° C for about 15 minutes). It was prepared by sensitizing for about 4.5 seconds and then immersed in a developer and developed. After thoroughly cleaning the patterned specimens, deposit the two materials (Ti / Au) mentioned above using a sputter with 2 × 10 -6 torr in initial vacuum at a thickness of 20 nm and 200 nm in that order. It was. After the deposition of the pads, a lift-off process was performed using acetone to remove the photoresist applied for patterning. In this way, coordinates were identified to identify the position of the Ti / Au pad and nanowires.
도 1은 Ti/Au 패드(11)와 100 × 100㎛2 크기 내부에 패터닝된 좌표(12)의 사진이다. 여기에 전처리한 나노선을 분산시킨 후 나노선의 위치를 좌표로부터 확인하여 나노선위의 소스와 드레인 영역에 자성체를 형성한다.FIG. 1 is a photograph of a Ti /
자기장의 방향에 의한 전극의 스핀밸브효과를 얻기 위하여 주입구(source)및 검출구(drain)의 크기를 폭 150nm, 길이 8 ㎛(축비 1:60), 폭 1 ㎛, 길이 6㎛(축비1:6) 으로 다르게 하여 전자빔노광 하였다. 전극의 폭과 간격이 마이크론 보다 작은 크기이므로 전자선 노광장치로 패터닝 하였다. 다층 감광막위에 전자빔을 노광 시킨 후 MIBK:IPA(3:1)용액에서 현상하였다. 다층 전자선 감광막은 실리콘 기판의 수분을 제거하기 위하여 free baking을 160℃에서 2분간 실시 후, 스핀코터를 이용하여 PMMA 495K 와 PMMA 950K A4를 6000rpm에서 도포 후 180℃에서 soft baking을 3분간 실시하여 300nm의 두께를 가지도록 형성하였다.In order to obtain the spin valve effect of the electrode in the direction of the magnetic field, the size of the source and the drain was 150 nm in width, 8 μm in length (axis ratio 1:60), 1 μm in width, and 6 μm in length (axis ratio 1: 6), electron beam exposure was performed. Since the width and spacing of the electrodes were smaller than microns, they were patterned with an electron beam exposure apparatus. The electron beam was exposed on the multilayer photoresist film and then developed in a MIBK: IPA (3: 1) solution. In order to remove moisture from the silicon substrate, the multilayer electron beam photoresist was subjected to free baking at 160 ° C. for 2 minutes, and then coated with PMMA 495K and PMMA 950K A4 at 6000 rpm using a spin coater, followed by soft baking at 180 ° C. for 300 minutes. It was formed to have a thickness of.
여기서, 감광막을 단일층이 아닌 다층으로 올린 이유는 두 층의 분자량이 다른 층을 형성하여 분자량이 적은 아래층의 감광막이 더 넓게 현상되어 전극 증착 후 리프트 오프(lift-off)공정을 용이하게 하기 위한 것이다.Here, the reason why the photoresist film is raised in a multi-layer rather than a single layer is to form a layer having different molecular weights so that the lower photoresist film having a lower molecular weight is developed more broadly to facilitate a lift-off process after electrode deposition. will be.
패터닝 후 DC 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하여 강자성체 전극을 증착하였다. 증착전에는 반드시 이전단계에서 이동시 발생된 자연 산화막을 제거하기 위하여 BOE(buffered oxide etchant)용액에 잠시 담군 후 깨끗이 세척한 후 진공챔버에 장착하였다. 이렇게 산화막을 철저하게 제거하는 이유는 실리콘과 전극사이에서 스핀전자의 주입 및 검출이 제대로 이루어 질 수 있도록 하기 위함이다. 전극의 증착도 챔버의 오염원을 제거하기 위하여 공정전, 1 × 10-8 torr이하의 초기진공 상태를 유지한 후, 약 10분간 Fe16Co84(스핀 분극률: 52%)으로 사전 스퍼터링(pre-sputtering)을 수행한 후, 본격적인 전극의 증착을 진행하였다. 또 다른 전극으로 Fe20Ni80(스핀 분극률 48%)를 사용하였다. 증착시 강자성 전극의 자화 용이축을 형성하기 위하여 전극의 장축 방향으로 자석을 붙여서 60 nm두께로 증착하였다. 한편 대기 중에서 전극의 표면 산화를 방지하기 위하여 그 위에 바로 탄탈륨(Ta)을 5 nm 쌓아 보호막을 형성하였다. 강자성체 전극의 증착은 상기 적용된 스퍼터링 이외에도 이미 알려진 다양한 증착 방법이 사용될 수 있을 것이다.After patterning, ferromagnetic electrodes were deposited using a DC magnetron sputtering system. Prior to deposition, it was necessarily immersed in BOE (buffered oxide etchant) solution for a while to remove the natural oxide film generated during the movement in the previous step, and then washed clean and mounted in a vacuum chamber. The reason for the thorough removal of the oxide film is to ensure proper injection and detection of spin electrons between the silicon and the electrode. Electrode deposition is also pre-sputtered with Fe16Co84 (spin polarization rate: 52%) for about 10 minutes after maintaining an initial vacuum of less than 1 × 10 -8 torr to remove contaminants in the chamber. After carrying out, deposition of the electrode was carried out in earnest. Fe20Ni80 (48% spin polarization) was used as another electrode. In order to form an easy magnetization axis of the ferromagnetic electrode, deposition was performed at 60 nm thickness by attaching a magnet in the direction of the major axis of the electrode. Meanwhile, in order to prevent surface oxidation of the electrode in the air, tantalum (Ta) was stacked 5 nm directly thereon to form a protective film. Deposition of the ferromagnetic electrode may be used a variety of known deposition methods in addition to the applied sputtering.
이렇게 전극의 증착이 완료되면 패터닝시 사용하였던 감광막을 리프트 오프(lift-off)공정을 이용하여 샘플을 아세톤이 담긴 용기에 담아 감광막이 완전히 제거될 때까지 약 24시간 담궈 놓는다. 이때에는 강자성 전극이 매우 미세한 크기이므로 리프트 오프 공정시 단락되지 않도록 매우 주의하여야 한다. 이후 나노선상의 자성전극과 도1에 보이는 광식각공정으로 형성한 Ti/Au 패드(11)를 전기적으로 연결하기 위한 Ti/Au 연결선(lead wire)을 전자빔 노광공정으로 만들어 준다.After the deposition of the electrode is completed, the photoresist film used at the time of patterning is put in a container containing acetone by a lift-off process and soaked for about 24 hours until the photoresist film is completely removed. At this time, since the ferromagnetic electrode is very fine size, care must be taken not to short-circuit during the lift-off process. Thereafter, a Ti / Au lead wire for electrically connecting the magnetic electrode on the nanowire and the Ti /
도 2는 나노선 (21)에 폭과 길이가 서로 다른 두개의 강자성체 전극(22,23)을 올리고 이를 패드와 연결하는 Ti/Au 연결선(24)으로 이루어진 완성된 나노선을 이용한 스핀소자의 사진이다.FIG. 2 is a photograph of a spin device using a completed nanowire consisting of Ti /
도 3은 상기의 공정으로 제작된 스핀주입소자의 모식도이다. 기판(31)상에 표면으로의 누설전류를 방지하기 위해 산화막(32)이 형성되어 있다. 기판 위에 분산된 나노선(33)에 소스와 드레인으로서 폭이 서로 다른 두 자성 전극(34, 35)이 형성되어 있다. 두 자성 전극은 Ti/Au 연결선으로 패드와 연결되며 나노선과 패드 는 나노선과 전기적 저항이 가장 적은 재료로 연결된다. GaN반도체 나노선의 경우 Ni/Au층을 입힌후 고온에서 열처리 하여 오믹접촉(Ohmic contact)을 형성한다.3 is a schematic view of the spin injection device produced by the above process. An
본 발명에 따른 반도체 나노선 스핀소자의 경우 오믹접촉을 통하여 높은 임피던스 소자에서 발생할 수 있는 문제점들을 방지할 수 있다. 그러므로 반도체 나노선의 경우 나노선 스핀소자의 특성을 평가하기에 앞서 전기적 저항이 가장 낮은 금속전극재료와 최적의 오믹 열처리 조건을 찾는 것이 중요하다.In the case of the semiconductor nanowire spin device according to the present invention, problems that may occur in a high impedance device through ohmic contact can be prevented. Therefore, in the case of semiconductor nanowires, it is important to find a metal electrode material having the lowest electrical resistance and an optimum ohmic heat treatment condition before evaluating the characteristics of the nanowire spin device.
도 4는 금속전극과 GaN 반도체 나노선 사이에 최적의 Ohmic접합을 만들기 위하여 Ni/Au전극을 나노선위에 증착한 후 열처리 조건(RTA, rapid thermal annealing)을 변화시키며 측정한 전극/GaN 나노선간의 전류-전압 특성을 보여준다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 300, 400℃에서 1분간 RTA한 경우 약한 쇼트키(schottky)접합의 거동이 관찰되나 500℃에서 1분 열처리 한 경우 전류-전압곡선이 직선이 되는 오믹특성을 확인하였다.FIG. 4 shows the Ni / Au electrode deposited on the nanowire to make an optimal ohmic junction between the metal electrode and the GaN semiconductor nanowire, followed by changing the heat treatment conditions (RTA, rapid thermal annealing). Show the current-voltage characteristics. As can be seen from the figure, the weak Schottky junction behavior was observed when RTA was performed at 300 and 400 ° C for 1 minute, but when the heat treatment was performed at 500 ° C for 1 minute, the ohmic characteristic of the current-voltage curve became straight. .
도 5a 및 도 5b는 GaN나노선에 Mn을 소량 도핑한 GaMnN 나노선으로부터 여러 온도에서 측정한 자기저항 비의 변화를 나타낸다. 도 5a는 2단자, 도 5b는 4단자로 측정한 결과이다. 스핀소자의 자기저항 값은 다음의 식에 의해 구하였다. 즉 외부자장을 인가했을 때의 저항 
2단자 측정법에서는 5K에서 약 0.8%, 4단자로 측정한 자기저항은 2K에서 2.5%의 자기저항변화가 일어났다. 자기저항을 측정할 때는 나노선과 평행한 방향으로 자장을 인가하므로 나노선의 수직방향으로 자기장을 인가하는 Hall측정과는 다른 방법이다. GaMnN 나노선에서 자기저항이 관찰되는 것은 소량 첨가한 Mn의 자기모멘트에 의한 것으로 도핑한 Mn이 제2상을 형성하지 않고 잘 치환된 것으로 판단된다. 4단자법에서는 전극과 나노선 사이의 접촉저항이 측정한 자기저항값에 반영되지 않는 반면 2단자법은 접촉저항이 포함되어 더 낮은 자기저항값을 보인다. 자장을 인가하지 않은채 2단자법과 4단자법으로 측정한 저항으로부터 계산한 GaMnN나노선의 접촉저항 (contact resistance)은 상온에서 4.3㏀, 5K에서 2.5㏀ 이었다.In the two-terminal measurement, the magnetoresistance of about 0.8% at 5K and the magnetic resistance measured at four terminals was 2.5% at 2K. When measuring the magnetoresistance, the magnetic field is applied in the direction parallel to the nanowire, which is different from the Hall measurement in which the magnetic field is applied in the vertical direction of the nanowire. The magnetoresistance observed in the GaMnN nanowire is due to the magnetic moment of the small amount of Mn added, and it is judged that the doped Mn is well substituted without forming the second phase. In the four-terminal method, the contact resistance between the electrode and the nanowire is not reflected in the measured magnetoresistance value, while in the two-terminal method, the contact resistance is included to show a lower magnetoresistance. The contact resistance of the GaMnN nanowires calculated from the resistances measured by the two-terminal and four-terminal methods without applying a magnetic field was 4.3 에서 at room temperature and 2.5 에서 at 5K.
도 6은 5K에서 관찰한 스핀밸브효과를 나타낸다. 본 발명에 따른 나노선 소자에서의 저항변화는 전극의 장축 방향(즉, 길이 방향)으로 자기장을 가하여 변화 시켰을 때 첫 번째 강자성체 전극(source)에서 스핀 분극된 전자를 실리콘 내에 주입(inject)하여 그 정보를 잃지 않고 실리콘 내를 이동(transport)시켜, 두 번째 전극(drain)에서 검출(detect)하여 이에 따라 변화하는 전기적인 신호를 측정하는 것을 의미한다. 소스와 드레인 영역은 각각 폭 1㎛× 길이 5㎛ (축비 1:5), 폭 0.2㎛× 길이 10㎛ (축비 1:50)인 CoFe자성박막이다. 전극의 선폭과 크기를 다르게 하는 이유는 선폭이 큰 전극이 가지는 형상자기 이방성에 의한 보자력(coercivity)이 이보다 작은 선폭의 전극보다 작아 스위칭이 잘 되기 때문이다. 두 전극의 자화방향이 반평행 (anti-parallel)을 유지하는 자기장에서 저항이 증가하여 양의 피크가 생기며 자화방향이 평행(parallel)한 배열에서 저항은 감소하는 저항-자기장 곡선을 관찰하였다. 두 자성체의 자화방향이 반평행일때는 소스로부터 주입된 스핀의 방향과 드레인의 스핀 방향이 달라 반도체 나노선위에 스핀이 축적되어 저항이 증가하고, 평행할때는 주입된 스핀이 드레인까지 쉽게 이동하여 저항이 감소하는 전형적인 스핀밸브 현상이 얻어짐을 확인할 수 있었다.Figure 6 shows the spin valve effect observed at 5K. In the nanowire device according to the present invention, the resistance change is caused by injecting electrons spin-polarized from the first ferromagnetic electrode into silicon when the magnetic field is changed in the long axis direction (ie, the longitudinal direction) of the electrode. It means transporting the silicon without losing information, detecting it at the second drain, and measuring the electrical signal that changes accordingly. The source and drain regions are CoFe magnetic thin films each having a width of 1 μm × length 5 μm (axis ratio 1: 5) and width 0.2 μm ×
본 발명에서 제안한 하이브리드 자성체/반도체 나노선 소자의 일례로서 나노선 기반 스핀 트랜지스터를 도 7에 도시하였다. 스핀 트랜지스터의 소스(71)와 드레인(72)으로 자성체를 사용하였다. 스핀분극된 캐리어는 소스로부터 채널영역인 나노선(73)에 주입되고 다시 드레인에서 검출된다. 채널영역으로서 모든 반도체 나노선을 이용할 수 있는데, 특히 스핀소멸거리(spin relaxation length)가 길거나 캐리어의 유효질량이(effective mass)작아 이동도(mobility)가 크거나 평균자유행정 (mean free path)이 긴 반도체가 스핀이 분극된 채로 드레인에 도달할 확률이 높아 나노선 스핀소자에 유리하다. 주입된 스핀의 이동은 외부자기장을 인가하여 제어할 수 있다. 한편 ALD(atomic layer deposition)와 같이 coverage가 좋은 박막증착법을 이용하여 나노선 둘레를 절연막(74)(SiO2, Al2O3등)으로 완전히 둘러싼 후 그 위에 게이트(75)전극을 설치하여 게이트 전압을 인가하여 채널영역으로 주입된 스핀분극 캐리어의 세차운동(precession)을 제어할 수도 있다. 이와 같은 방법으로 스핀분극 전계효과 트랜지스터 (spin-polarized field effect transistor, spin FET)를 구현한다.FIG. 7 illustrates a nanowire-based spin transistor as an example of the hybrid magnetic / semiconductor nanowire device proposed by the present invention. A magnetic material was used as the
본 발명에서 제안한 하이브리드 자성체/반도체 나노선 소자의 두 번째 예로서 동일한 반도체 나노선 위의 소스와 드레인 영역에 선택적으로 자성금속을 도핑하여 구현되는 스핀트랜지스터를 도 8에 도시하였다.As a second example of the hybrid magnetic / semiconductor nanowire device proposed in the present invention, a spin transistor implemented by selectively doping a magnetic metal in the source and drain regions on the same semiconductor nanowire is illustrated in FIG. 8.
자성금속을 선택적으로 도핑하는 방법은 반도체 나노선을 합성한 후 소스와 드레인 영역에만 마스크를 이용, 국부적으로 ion implantation을 하여 소스(81)와 드레인(82)을 정의 할 수 있다. 또 다른 방법으로 반도체 나노선(GaN)을 합성할 때 자성금속(Mn등)을 첨가하여 자성반도체(GaMnN) 나노선을(81) 키우고 일정크기로 성장하면 자성금속 없이 GaN 나노선만 성장한다(83). GaN 나노선이 자라면 다시 자성금속을(82) 첨가하고 최종적으로 도 8의 좌측 그림과 같이 자성반도체/반도체/자성반도체의 이종조절 반도체 나노선을(hetero-modulation nano wire) 동시합성법 (in-situ)으로 만들 수 있다. 동시합성한 나노선위에 스핀트랜지스터를 (도 8 우측) 만들면 소스와 드레인 그리고 반도체 나노선의 결정구조가 동일하기 때문에 자성금속을 소스와 드레인 전극으로 하여 스핀을 주입할 때 보다 훨씬 높은 스핀주입효율을 달성할 수 있는 장점이 있다. 이렇게 제작된 반도체 나노선에 상기와 같은 방법으로 나노선 둘레를 절연물(84)로 도포한 후 소스와 드레인 영역의 자성반도체는 산화물을 제거하여 패드와 전기적으로 연결하고(85) 반도체 부분에 게이트 전극(86)을 설치하면 스핀 트랜지스터를 제작할 수 있다. 이 소자의 작동원리는 도 7과 동일하다.In the method of selectively doping the magnetic metal, the
이와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 top down 방식의 리쏘그래피 공정으로 제작하던 스핀 트랜지스터를 나노선을 이용하여 bottom up방식으로 제작가능하고, 또한 캐리어의 전하만을 전기장으로 제어하는 것과 달리 자성체/반도체 나노선 소자에서는 소스와 드레인에 자성체를 사용하여 스핀을 반도체 나노선에 주입하고 검출함으로써 캐리어의 스핀을 이용한 메모리 및 논리소자로 응용할 수 있다.As described above, according to the present invention, a spin transistor manufactured by a conventional top down lithography process can be manufactured by using a nanowire in a bottom up method, and in contrast to controlling only a charge of a carrier by an electric field, a magnetic / semiconductor In the route device, a magnetic material is used for the source and the drain to inject and detect the spin into the semiconductor nanowire, thereby applying it to a memory and a logic device using the spin of the carrier.
또한, 나노선위에 소스와 드레인영역을 만드는 방법으로 나노선 위에 선택적으로 자성체를 접합 또는 이온주입(ion implantation)하여 소자를 만들 수 있으며, 나노선 합성시 동시공정으로 자성금속을 도핑하여 자성반도체/반도체/자성반도체 소자가 하나의 나노선 위에 모두 형성된 소자를 만들 수 있다. In addition, a method of making a source and a drain region on a nanowire may be made by selectively bonding or ion implanting a magnetic material on the nanowire, and in the process of synthesizing nanowires, a magnetic metal may be doped by doping a magnetic metal. It is possible to make a device in which semiconductor / magnetic semiconductor devices are all formed on one nanowire.
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