WO2015068974A1 - Nano-wire device having conductive semicircular structure - Google Patents

Nano-wire device having conductive semicircular structure Download PDF

Info

Publication number
WO2015068974A1
WO2015068974A1 PCT/KR2014/009982 KR2014009982W WO2015068974A1 WO 2015068974 A1 WO2015068974 A1 WO 2015068974A1 KR 2014009982 W KR2014009982 W KR 2014009982W WO 2015068974 A1 WO2015068974 A1 WO 2015068974A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanowire
nanowires
electrode
omega
effect
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/009982
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
유천열
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인하대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Publication of WO2015068974A1 publication Critical patent/WO2015068974A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/82—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of the magnetic field applied to the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions

Definitions

  • the present invention relates to a transistor, and more particularly, to a nanowire device using a semi-circular conductive nanowire.
  • nanowire patterning became possible.
  • the nanostructures exhibit a nonlinear shape.
  • an active device using semi-circular conductive nanowires is proposed.
  • One technical problem to be solved of the present invention is to provide an active device, such as a transistor by using a nano wire of the omega structure.
  • Conductive nanowires having a semicircular structure according to an embodiment of the present invention; A first electrode disposed on an upper surface of the semi-circular structure; And a second electrode disposed on the lower surface of the semicircular structure. A voltage is applied between the first electrode and the second electrode to control a current flowing at both ends of the nanowire.
  • the radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure is 1 nm to 100 nm
  • the thickness of the nanowire may be 1 nm to 100 nm.
  • a first insulator disposed between the first electrode and the nanowire; And a second insulator disposed between the second electrode and the nanowires.
  • a conductive nanowire having a semi-circular structure
  • It includes a ferromagnetic material disposed in contact with the plane in which the semi-circular structure is disposed, the intensity of the current flowing through the nanowire is changed according to the magnetization direction of the magnetic material.
  • the radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure is 1 nm to 100 nm
  • the thickness of the nanowire may be 1 nm to 100 nm.
  • the nanowire device may operate as a diode, a transceiver, and a memory.
  • 1 is a diagram illustrating a diffusive model according to Ohm's law.
  • FIG 3 is a view illustrating a Hall effect of the conductive nano device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of straight nanowires.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of an omega structure nanowire.
  • 6A and 6B are diagrams illustrating the effect of the omega structure.
  • FIG. 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.
  • FIGS. 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. 10 illustrates that the nanowires having two omema structures collide with each other.
  • 11 is the tendency of the current with respect to the applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of the electrons is 20 nm.
  • FIG. 13 shows the result of calculating the current according to the change of the magnetic field for the fixed electric field value (10 2 , +/- 10 6 V / m).
  • the nado wire device uses an omega structure (Omega, ⁇ -structure) in the nanowire structure made of a metal.
  • the omega structure refers to an omega-shaped semicircular nanowire having a radius of several to several tens nm in the middle of the metal nanowire.
  • the omega structure may exhibit nonlinear conduction characteristics.
  • the device including the omega structure may operate as an active device.
  • 1 is a diagram illustrating a diffusive model according to Ohm's law.
  • the conduction model of a general metal may follow the law of Ohm.
  • a current J in proportion to the applied voltage V flows.
  • a linear resistance element in which current and voltage are proportional to each other is formed. If there is no voltage difference between both ends of the conductor sample 100, the movement of electrons moving randomly due to thermal fluctuations inside the conductor sample 100 becomes zero on average. Thus, the current flowing in both directions is canceled out so that the value of the current becomes zero.
  • the size of the mean free path of electrons can be from about 3 to 30 nm at room temperature and several hundred nm at low temperature.
  • An active device using a nonlinear conduction characteristic expressed in a nanowire having an omega structure having a radius of curvature of a mean free path will be described.
  • the linear conductor sample 100 extends in the x-axis direction and a magnetic field B in the z-axis direction is applied.
  • the locus T of the conduction electrons is not a straight line but a curve. Therefore, as electrons accumulate on one surface of the conductor sample 100, a potential difference is generated between both ends. The charge thus accumulated generates a Hall voltage.
  • the Hall voltage is proportional to the Hall electric field E H. At this time, the electron is forced by the Hall electric field to cancel the effect by the magnetic field, and draw a straight line again.
  • FIG 3 is a view illustrating a Hall effect of the conductive nano device according to an embodiment of the present invention.
  • the conductive nanowires 200 have an omega structure.
  • the conductive nanowire 200 includes a semi-circular omega structure in the x-y plane while traveling in the x-axis direction.
  • the magnetic field B in the z-axis direction is applied.
  • the conductive nanowires 200 are Bi, Ga, W, Zn, Cd, Re. Sn, Pb, Pd, Pt, Mg, Fe.
  • the conductive nanowire 200 may be Au, Cu, Ag, In, K, Ni, Nb, Al, or an alloy of these materials.
  • the radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure may be 1 nm to 100 nm.
  • the nanowires may have a thickness of about 1 nm to about 100 nm.
  • the orbits of the electrons curved by the Lorentz force caused by the magnetic field B are in the same direction as the omega structure. Because of the curvature that the electrons draw, the electrons can lower the probability of collision at the interface of the nanowires.
  • the collision probability with the interface is increased by the magnetic field B. Therefore, the mean free path is affected by the direction of the magnetic field B and the electron propagation direction. Accordingly, the resistance value is determined.
  • the Hall voltage generated by the Lorentz force acts in the opposite direction from the Lorentz force. Accordingly, the Hall voltage cancels the effect caused by the Lorentz force, thereby canceling the curved motion of the electron caused by the Hall effect.
  • the above expected effects are lost and the Transverse Hall resistance is zero.
  • a finite magnitude of horizontal Hall resistance is always measured. This contradiction can be explained by a two-band model. That is, it may be described that a transverse hall effect occurs when a plurality of bands span the Fermi level when the metal is not a single band metal.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of straight nanowires.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of an omega structure nanowire.
  • 6A and 6B are diagrams illustrating the effect of the omega structure.
  • FIG. 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.
  • the nanowire device 10 may include a conductive nanowire 200 having a semicircular structure (omega structure) 202, a first electrode 250 disposed on an upper surface of the semicircular structure, and a lower surface of the semicircular structure.
  • the second electrode 220 is included.
  • a voltage V G is applied between the first electrode 250 and the second electrode 220 to control the current I flowing through both ends of the nanowire 200.
  • An insulating structure 232 may be formed on the substrate 210 through a patterning process. A portion of the upper surface of the insulating structure 232 may have a constant curvature. Accordingly, a conductive film is deposited on the insulating structure, and then, through the patterning process, the conductive film may form a second electrode through the patterning process. The second electrode may have a constant curvature. Subsequently, a second insulator is deposited on the second electrode. The second insulator may be patterned as necessary.
  • a conductive material may be deposited on the substrate.
  • the conductive material may be patterned to form the nanowires 200.
  • the semi-circular structure of the nanowires may be aligned with the second electrode.
  • a first insulator may be deposited on the nanowires.
  • a conductor may be deposited and patterned on the first insulator to form a first electrode 250.
  • the first electrode 250 may be aligned with the second electrode 220.
  • Nanowires may be disposed on the substrate 210.
  • the substrate may be a semiconductor substrate, a plastic, or a glass substrate.
  • the nanowire device 10 is Bi, Ga, W, Zn, Cd, Re. Sn, Pb, Pd, Pt, Mg, Fe or alloys thereof.
  • the radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure may be 1 nm to 100 nm.
  • the nanowires may have a thickness of about 1 nm to about 100 nm.
  • the first insulator 240 may be disposed between the first electrode and the nanowires.
  • the first insulator 240 may be a silicon oxide layer (SiOx), a silicon nitride layer (SiNx), or a titanium oxide layer (TiOx).
  • the first insulator 240 may be disposed on the semicircular structure 202.
  • the second insulator 230 may be disposed between the second electrode 220 and the semicircular structure 202.
  • the second insulator 230 may be a silicon oxide layer (SiOx), a silicon nitride layer (SiNx), or a titanium oxide layer (TiOx).
  • the gate voltage applied between the first electrode and the second electrode may apply an electric field in the symmetric center axis direction of the semicircular structure. Accordingly, nonlinear phenomena caused by the semicircular structure or the omega structure may be caused.
  • FIGS. 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.
  • the nanowire device 20 may include a conductive nanowire 200 of the semicircular structure 202, and a ferromagnetic material 204 disposed in contact with a plane in which the semicircular structure is disposed. Can be.
  • the intensity of the current flowing through the nanowires may be changed according to the magnetization direction of the ferromagnetic material 204.
  • the radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure is 1 nm to 100 nm, the thickness of the nanowires may be 1 nm to 100 nm.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic material 204 may be perpendicular to the placement plane of the semi-circular structure.
  • the ferromagnetic material 204 is a transition metal (Fe, Co, Ni)-rare earth metal (Tb, Sm, Nd, Gd, Dy, Ho, Er, Pt, Pd, Au,) having a perpendicular magnetic anisotropy It may be an alloy or a multilayer thin film.
  • a direction in which current flows well may be determined according to the magnetization direction M of the ferromagnetic material.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic material 204 may be perpendicular to the placement plane of the ferromagnetic material.
  • a nanowire having two symmetrical omega structures is defined.
  • the x-axis coordinate of the center is zero.
  • the y-axis coordinates of the bottom surface of the nanowires are zero.
  • the thickness of the thin film constituting the nanowire is 20 nm.
  • FIG. 10 illustrates that the nanowires having two omema structures collide with each other.
  • the inner diameter of the omega structure was set to 30 nm, respectively, and the outer diameter was determined by the sum of the inner diameter and the thickness of the thin film.
  • the thickness of the thin film constituting the nanowire is 20 nm.
  • the mean free path of the electrons was set to 20 nm to 30 nm.
  • an electric field of +/- 10 6 V / m and a magnetic field of +/- 10 T were applied and 200,000 electrons were calculated.
  • the more electrons must be calculated for the more realistic electric and magnetic field magnitudes.
  • the effect in the actual experiment will be considerably smaller than the value obtained through the simulation .
  • the effect of canceling due to the Hall voltage is not considered, and therefore the magnitude of the effect of the actual omega structure needs to be confirmed through experiments.
  • 11 is the tendency of the current with respect to the applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of the electrons is 20 nm.
  • the direction of the current may be determined by the direction of the magnetic field.
  • the effect of the omega structure can be large enough to change the sign of the resistor, not to change the size of the resistor.
  • FIG. 13 shows the result of calculating the current according to the change of the magnetic field for the fixed electric field value (10 2 , +/- 10 6 V / m).
  • the direction and intensity of the current are changed by the magnetic field H.
  • the magnitude of the change may correspond to the effect by the electric field. This result was calculated for a 20 nm thick thin film with a mean free path of 30 nm.
  • the effect increases as the collision at the interface increases.
  • the thickness of the thin film is thinned 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.
  • the actual omega structure may be a nano structure of tens of nm in size. Such structures can be fabricated without significant difficulty using current nano process technology or electron beam lithography. In particular, the process is very similar to the FinFET structure, which has been put to practical use recently.
  • the usable material may be all kinds of metals and semiconductors, but preferably, a material having a large transverse hall resistance effect and a large mean free path may be preferable.
  • the size of the omega structure is similar to the average free path, and the closer the value is to the value of mv / qB (m: effective mass of electrons, v electron velocity, q electron charge amount, B magnetic field), which is the radius of curvature caused by the magnetic field, Can be maximized. As the size of the device is reduced, the nonlinear conduction properties increase.
  • Nanowire device takes advantage of the effect caused by breaking the symmetry in the movement of the conduction electrons by the presence of the omega structure and the magnetic field. If only a magnetic field is applied without an electric field, a finite current flows in the simulation. What this means is that finite voltages can be formed between the ends of the omega structure rather than actually flowing. It is possible to be polarized like ferroelectric in metal nanowires.

Abstract

The present invention provides a nano-wire device. The nano-wire device comprises: a conductive nano-wire having a semicircular structure; a first electrode disposed on the upper surface of the semicircular structure; and a second electrode disposed on the lower surface of the semicircular structure, wherein voltage is applied between the first and second electrodes to control current flowing at both ends of the nano-wire.

Description

도전성 반원 구조의 나노 와이어 소자Conductive semicircular nanowire elements
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 semi-circular conductive nanowire.
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. As the patterning technology evolved, nanowire patterning became possible. In addition, the nanostructures exhibit a nonlinear shape. According to one embodiment of the present invention, an active device using semi-circular conductive nanowires is proposed.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 오메가 구조의 나노 와이어를 이용하여 트렌지스터와 같은 능동 소자를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved of the present invention is to provide an active device, such as a transistor by using a nano wire of the 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.Conductive nanowires having a semicircular structure according to an embodiment of the present invention; A first electrode disposed on an upper surface of the semi-circular structure; And a second electrode disposed on the lower surface of the semicircular structure. A voltage is applied between the first electrode and the second electrode to control a current flowing at 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 semi-circular structure is 1 nm to 100 nm, 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 disposed between the first electrode and the nanowire; And a second insulator disposed between the second electrode and the nanowires.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 반원 구조를 가진 도전성의 나노 와이어; 및In one embodiment of the present invention, a conductive nanowire having a semi-circular structure; And
상기 반원 구조가 배치된 평면에 접촉하여 배치된 강자성체를 포함하고, 상기 자성체의 자화 방향에 따라 상기 나노 와이어에 흐르는 전류의 세기가 변경된다.It includes a ferromagnetic material disposed in contact with the plane in which the semi-circular structure is disposed, the intensity of the current flowing through the nanowire is changed according to the magnetization direction of the magnetic material.
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 semi-circular structure is 1 nm to 100 nm, 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 an embodiment of the present invention may operate as a diode, a transceiver, and a memory.
도 1은 오옴(Ohm)의 법칙에 따른 확산(diffusive) 모델을 설명하는 도면이다. 1 is a diagram illustrating a diffusive model according to Ohm's law.
도 2는 통상적인 홀(Hall)효과의 측정 원리를 설명하는 도면이다.2 is a view for explaining the principle of measuring the conventional Hall (Hall) effect.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 나노 소자의 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.3 is a view illustrating a Hall effect of the conductive nano device according to an embodiment of the present invention.
도 4는 직선 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of straight nanowires.
도 5는 오메가 구조 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of an omega structure nanowire.
도 6a 및 도 6b은 오메가 구조의 효과를 설명하는 도면이다.6A and 6B are diagrams illustrating the effect of the omega 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 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 9는 오메가 구조를 가진 나노 와이어에서의 전도효과를 몬테카를로((Monte-Carlo) 시뮬레이션으로 확인한 결과이다. 9 is a result of confirming the conduction effect in the nano-wire having an omega structure by Monte-Carlo simulation.
도 10은 2 개의 오메마 구조를 가진 나노 와이어를 전자들이 충돌한 점으로 나타낸 것이다. FIG. 10 illustrates that the nanowires having two omema structures collide with each other.
도 11은 전자들의 평균자유경로(mean free path)가 20 nm인 경우 +/-10, 0 T 의 자기장에 대한 인가 전기장에 대한 전류의 경향성이다.11 is the tendency of the current with respect to the applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of the 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.12 is the tendency of the current with respect to the applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of electrons is 30 nm.
도 13은 고정된 전기장 값(102, +/-106 V/m)에 대해서 자기장의 변화에 따른 전류를 계산한 결과이다.FIG. 13 shows the result of calculating the current according to the change of the magnetic field for the fixed electric field value (10 2 , +/- 10 6 V / m).
도 14는 박막의 두께를 5 nm 로 얇게 한 경우 자기장 및 전기장에 따른 전류를 나타낸다.14 shows the current according to the magnetic and electric fields 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 nado wire device according to an embodiment of the present invention uses an omega structure (Omega, Ω-structure) in the nanowire structure made of a metal. The omega structure refers to an omega-shaped semicircular nanowire having a radius of several to several tens nm in the middle of the metal nanowire. The omega structure may exhibit nonlinear conduction characteristics. The device including the omega structure may operate as an active device.
도 1은 오옴(Ohm)의 법칙에 따른 확산(diffusive) 모델을 설명하는 도면이다. 1 is a diagram illustrating 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, the conduction model of a general metal may follow the law of Ohm. According to Ohm's law, a current J in proportion to the applied voltage V flows. In this case, a linear resistance element in which current and voltage are proportional to each other is formed. If there is no voltage difference between both ends of the conductor sample 100, the movement of electrons moving randomly due to thermal fluctuations inside the conductor sample 100 becomes zero on average. Thus, the current flowing in both directions is canceled out so that the value of the current becomes zero.
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 to both sides is not canceled and one direction is dominant so that current flows at a so-called flow rate. Such conduction models account for most conduction phenomena for 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.In the case of the conductor sample 100 having a size smaller than the average free path of electrons, the conductivity of the conductor sample is the quantized conductance quantum (G 0 = 2e) by a ballistic model regardless of the geometric size of the conductor sample. 2 / h) and the number of conduction channels are well known. This is the Landau Formula.
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 typical metals, the size of the mean free path of electrons can be from about 3 to 30 nm at room temperature and several hundred nm at low temperature. An active device using a nonlinear conduction characteristic expressed in a nanowire having an omega structure having a radius of curvature of a mean free path will be described.
도 2는 통상적인 홀(Hall)효과의 측정 원리를 설명하는 도면이다.2 is a view for explaining the principle of measuring the conventional Hall (Hall) effect.
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, the linear conductor sample 100 extends in the x-axis direction and a magnetic field B in the z-axis direction is applied. In this case, due to the Lorentz force, the locus T of the conduction electrons is not a straight line but a curve. Therefore, as electrons accumulate on one surface of the conductor sample 100, a potential difference is generated between both ends. The charge thus accumulated generates a Hall voltage. The Hall voltage is proportional to the Hall electric field E H. At this time, the electron is forced by the Hall electric field to cancel the effect by the magnetic field, and draw a straight line again.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도전성 나노 소자의 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.3 is a view illustrating a 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 conductive nanowires 200 have an omega structure. The conductive nanowire 200 includes a semi-circular omega structure in the x-y plane while traveling in the x-axis direction. The magnetic field B in the z-axis direction is applied. The conductive nanowires 200 are Bi, Ga, W, Zn, Cd, Re. Sn, Pb, Pd, Pt, Mg, Fe. Alternatively, the conductive nanowire 200 may be Au, Cu, Ag, In, K, Ni, Nb, Al, or an alloy of these materials. The radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure may be 1 nm to 100 nm. The nanowires may have a thickness of about 1 nm to about 100 nm.
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 electrons progress from right to left, the orbits of the electrons curved by the Lorentz force caused by the magnetic field B are in the same direction as the omega structure. Because of the curvature that the electrons draw, the electrons can lower the probability of collision at the interface of the nanowires.
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.On the contrary, in the case of electrons traveling from left to right, the collision probability with the interface is increased by the magnetic field B. Therefore, the mean free path is affected by the direction of the magnetic field B and the electron propagation direction. Accordingly, 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 from the Lorentz force. Accordingly, the Hall voltage cancels the effect caused by the Lorentz force, thereby canceling the curved motion of the electron caused by the Hall effect. Thus, for the simplest metals, the above expected effects are lost and the Transverse Hall resistance is zero. However, experimentally, a finite magnitude of horizontal Hall resistance is always measured. This contradiction can be explained by a two-band model. That is, it may be described that a transverse hall effect occurs when a plurality of bands span the Fermi level when the metal is not a single band metal.
도 4는 직선 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of straight nanowires.
도 5는 오메가 구조 나노 와이어의 투밴드(two-band) 모델에 따른 홀(Hall)효과를 설명하는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a Hall effect according to a two-band model of an omega structure nanowire.
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. 4 and 5, according to the two-band model or the multi-band model, a finite Hall voltage is generated by the Lorentz force. The net current is zero in the direction in which the Hall voltage is generated. However, the Lorentz force received by charges belonging to different bands and the force caused by the Hall voltage are not canceled out. Thus, the charges are bent in different opposite directions. Thus, the effects of the omega structure discussed above are still valid. However, the 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.6A and 6B, when the two-band model is applied, the effect of the omega structure can be described. Naturally, the effect of the omega structure is highly dependent on the band structure of the metal. By using the conductive characteristic of such an omega structure, the conductive characteristic changes significantly according to the direction of the magnetic field B and the direction of an electric current. Therefore, nanowires having an omega structure may exhibit diode characteristics. That is, only one direction of current may flow with respect to alternating current. Thus, diode properties can be seen in simple metal omega nanowire structures.
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 portion and the lower portion of the omega structure to adjust the effective hole voltage, the effect of the omega structure will increase or decrease. Accordingly, a field effect transistor structure capable of adjusting the flowing current I to the gate voltage V G may 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 nanowire device 10 may include a conductive nanowire 200 having a semicircular structure (omega structure) 202, a first electrode 250 disposed on an upper surface of the semicircular structure, and a lower surface of the semicircular structure. The second electrode 220 is included. A voltage V G is applied between the first electrode 250 and the second electrode 220 to control the current I flowing through both ends of the nanowire 200.
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 structure 232 may be formed on the substrate 210 through a patterning process. A portion of the upper surface of the insulating structure 232 may have a constant curvature. Accordingly, a conductive film is deposited on the insulating structure, and then, through the patterning process, the conductive film may form a second electrode through the patterning process. The second electrode may have a constant curvature. Subsequently, a second insulator is deposited on the second electrode. The second insulator may be patterned as necessary.
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 alignment member is deposited, a conductive material may be deposited on the substrate. The conductive material may be patterned to form the nanowires 200. The semi-circular structure of the nanowires may be aligned with the second electrode.
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 nanowires. A conductor may be deposited and patterned on the first insulator to form a first electrode 250. The first electrode 250 may be aligned with the second electrode 220.
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 substrate 210. The substrate may be a semiconductor substrate, a plastic, or a glass substrate. The nanowire device 10 is Bi, Ga, W, Zn, Cd, Re. Sn, Pb, Pd, Pt, Mg, Fe or alloys thereof. The radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure may be 1 nm to 100 nm. The nanowires may have a thickness of about 1 nm to about 100 nm.
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.The first insulator 240 may be disposed between the first electrode and the nanowires. The first insulator 240 may be a silicon oxide layer (SiOx), a silicon nitride layer (SiNx), or a titanium oxide layer (TiOx). The first insulator 240 may be disposed on the semicircular structure 202.
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. The second insulator 230 may be disposed between the second electrode 220 and the semicircular structure 202. The second insulator 230 may be a silicon oxide layer (SiOx), a silicon nitride layer (SiNx), or a titanium oxide layer (TiOx).
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 symmetric center axis direction of the semicircular structure. Accordingly, nonlinear phenomena caused by the semicircular structure or the omega structure may 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, the nanowire device 20 may include a conductive nanowire 200 of the semicircular structure 202, and a ferromagnetic material 204 disposed in contact with a plane in which the semicircular structure is disposed. Can be. The intensity of the current flowing through the nanowires may be changed according to the magnetization direction of the ferromagnetic material 204. The radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure is 1 nm to 100 nm, the thickness of the nanowires may be 1 nm to 100 nm. The magnetization direction of the ferromagnetic material 204 may be perpendicular to the placement plane of the semi-circular structure.
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 ferromagnetic material 204 is a transition metal (Fe, Co, Ni)-rare earth metal (Tb, Sm, Nd, Gd, Dy, Ho, Er, Pt, Pd, Au,) having a perpendicular magnetic anisotropy It may be an alloy or a multilayer thin film.
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 ferromagnetic material 204 having perpendicular magnetic anisotropy is added on the nanowire 200 of the omega structure 202, a direction in which current flows well may be determined according to the magnetization direction M of the ferromagnetic material. Depending on the magnetization direction of the ferromagnetic material 204, it can be used as a nonvolatile memory showing a "0" or "1" state. The magnetization direction of the ferromagnetic material 204 may be perpendicular to the placement plane of the ferromagnetic material. At this time, since the magnetization direction of the ferromagnetic material can be switched by using a spin hole torque effect or a rashba effect using the current flowing through the omega structure, information can be recorded.
도 9는 오메가 구조를 가진 나노 와이어에서의 전도효과를 몬테카를로((Monte-Carlo) 시뮬레이션으로 확인한 결과이다. 9 is a result of confirming the conduction effect in the nano-wire having an omega structure by 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 symmetrical omega structures is defined. The x-axis coordinate of the center is zero. The y-axis coordinates of the bottom surface of the nanowires are zero. The thickness of the thin film constituting the nanowire is 20 nm. When the electrons from the center of the nanowire reach both ends after random movement due to thermal fluctuations and the effects of electric and magnetic fields, the difference is defined as the current.
전자들이 지나간 흔적들이 도시되었다. 2 개의 오메가 구조가 전자들의 충돌에 의해서 보여진다. Traces of the passing of the electrons are shown. Two omega structures are shown by the collision of electrons.
도 10은 2 개의 오메마 구조를 가진 나노 와이어를 전자들이 충돌한 점으로 나타낸 것이다. FIG. 10 illustrates that the nanowires having two omema structures collide with each other.
도 10을 참조하면, 오메가 구조의 내경은 각각 30 nm 로 하고, 외경은 내경과 박막의 두께의 합으로 정했다. 나노 와이어를 이루는 박막의 두께는 20 nm이다.10, the inner diameter of the omega structure was set to 30 nm, respectively, and the outer diameter was determined by the sum of the inner diameter and the thickness of the thin film. The thickness of the thin film constituting the nanowire 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 the electrons was set to 20 nm to 30 nm. In order to maximize the effectiveness of the simulation, an electric field of +/- 10 6 V / m and a magnetic field of +/- 10 T were applied and 200,000 electrons were calculated. To obtain statistically significant Monte Carlo simulation results, the more electrons must be calculated for the more realistic electric and magnetic field magnitudes. However, since this is not a quantitative result but a tendency to check, the use of too large electric and magnetic fields to shorten the calculation time and maximize the effect, the effect in the actual experiment will be considerably smaller than the value obtained through the simulation . In addition, in this simulation, the effect of canceling due to the Hall voltage is not considered, and therefore the magnitude of the effect of the actual omega structure needs to be confirmed through experiments. However, it is apparent that the phenomenon itself obtained in this simulation exists.
도 11은 전자들의 평균자유경로(mean free path)가 20 nm인 경우 +/-10, 0 T 의 자기장에 대한 인가 전기장에 대한 전류의 경향성이다.11 is the tendency of the current with respect to the applied electric field for a magnetic field of +/- 10, 0 T when the mean free path of the 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.12 is the tendency of the current with respect to the 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, when there is no magnetic field (Hz), a straight line passing through the origin refers to Ohm's law. When the magnetic field is +10 T (Tesla) and -10 T, a larger or smaller current flows depending on the direction of the electron. The effect naturally increases as the mean free path increases. In particular, the value of the applied electric field in the simulation is very large. The effect of the 10 T magnetic field causes a change in the order of current that is comparable with the increase of the electric current by the electric field, which 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 may 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 resistor, not to change the size of the resistor. Thus, when used as a memory element, it is possible to read the value of the information recorded with the sign of the current.
도 13은 고정된 전기장 값(102, +/-106 V/m)에 대해서 자기장의 변화에 따른 전류를 계산한 결과이다.FIG. 13 shows the result of calculating the current according to the change of the magnetic field for 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, as expected, the direction and intensity of the current are changed by the magnetic field H. At this time, the magnitude of the change may correspond to the effect by the electric field. This result was calculated for a 20 nm thick thin film with a mean free path of 30 nm.
도 14는 박막의 두께를 5 nm 로 얇게 한 경우 자기장 및 전기장에 따른 전류를 나타낸다.14 shows the current according to the magnetic and electric fields 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. When the thickness of the thin film is thinned 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 nano structure of tens of nm in size. Such structures can be fabricated without significant difficulty using current nano process technology or electron beam lithography. In particular, the process is very similar to the FinFET structure, which has been put to practical use recently. In this case, the usable material may be all kinds of metals and semiconductors, but preferably, a material having a large transverse hall resistance effect and a large mean free path may be preferable. In addition, the size of the omega structure is similar to the average free path, and the closer the value is to the value of mv / qB (m: effective mass of electrons, v electron velocity, q electron charge amount, B magnetic field), which is the radius of curvature caused by the magnetic field, Can be maximized. As the size of the device is reduced, the nonlinear conduction properties increase.
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. Nanowire device according to an embodiment of the present invention takes advantage of the effect caused by breaking the symmetry in the movement of the conduction electrons by the presence of the omega structure and the magnetic field. If only a magnetic field is applied without an electric field, a finite current flows in the simulation. What this means is that finite voltages can be formed between the ends of the omega structure rather than actually flowing. It is possible to be polarized like ferroelectric in metal nanowires.

Claims (5)

  1. 반원 구조를 가진 도전성의 나노와이어;Conductive nanowires having a semicircular structure;
    상기 반원 구조의 상부면 배치된 제1 전극; 및A first electrode disposed on an upper surface of the semi-circular structure; And
    상기 반원 구조의 하부면에 배치된 제2 전극을 포함하고,A second electrode disposed on the lower surface of the semi-circular structure,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 나노 와이어의 양단에 흐르는 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.And applying a voltage between the first electrode and the second electrode to control a current flowing at both ends of the nanowire.
  2. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고,The radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure is 1 nm to 100 nm,
    상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.Nanowire device, characterized in that the thickness of the nanowires from 1 nm to 100 nm.
  3. 제1 항에 있어서,According to claim 1,
    상기 제1 전극과 상기 나노 와이어 사이에 배치된 제1 절연체; 및A first insulator disposed between the first electrode and the nanowires; And
    상기 제2 전극과 상기 나노 와이어 사이에 배치된 제2 절연체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.And a second insulator disposed between the second electrode and the nanowire.
  4. 반원 구조를 가진 도전성의 나노 와이어; 및Conductive nanowires having a semicircular structure; And
    상기 반원 구조가 배치된 평면에 접촉하여 배치된 강자성체를 포함하고,A ferromagnetic material disposed in contact with the plane in which the semi-circular structure is disposed,
    상기 자성체의 자화 방향에 따라 상기 나노 와이어에 흐르는 전류의 세기가 변경되는 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.The intensity of the current flowing through the nanowires in accordance with the magnetization direction of the magnetic material, characterized in that the nanowire device.
  5. 제4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein
    상기 반원 구조의 곡률 반경 또는 내경은 1 nm 내지 100 nm이고,The radius of curvature or the inner diameter of the semi-circular structure is 1 nm to 100 nm,
    상기 나노 와이어의 두께는 1 nm 내지 100 nm인 것을 특징으로 하는 나노 와이어 소자.Nanowire device, characterized in that the thickness of the nanowires from 1 nm to 100 nm.
PCT/KR2014/009982 2013-11-06 2014-10-23 Nano-wire device having conductive semicircular structure WO2015068974A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2013-0134404 2013-11-06
KR1020130134404A KR101479426B1 (en) 2013-11-06 2013-11-06 Conductive Nanowiere Device Of Semicircle Structure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015068974A1 true WO2015068974A1 (en) 2015-05-14

Family

ID=52587951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2014/009982 WO2015068974A1 (en) 2013-11-06 2014-10-23 Nano-wire device having conductive semicircular structure

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101479426B1 (en)
WO (1) WO2015068974A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11761917B2 (en) 2019-12-23 2023-09-19 Nanodx, Inc. Sensor system and methods

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010051096A (en) * 1999-10-18 2001-06-25 루센트 테크놀러지스 인크 Article comprising aligned nanowires and process for fabricating article
JP2005159273A (en) * 2003-05-27 2005-06-16 Matsushita Electric Works Ltd Magnetic-electric conversion element, magnetism detecting device, and earth magnetism sensor
JP2009016767A (en) * 2007-07-09 2009-01-22 Fujitsu Ltd Nanomagnet, quantum device, and method for manufacturing same
KR20090081218A (en) * 2008-01-23 2009-07-28 삼성전자주식회사 Resonant structure comprising wire, resonant tunneling transistor, and method for fabricating the resonant structure

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010051096A (en) * 1999-10-18 2001-06-25 루센트 테크놀러지스 인크 Article comprising aligned nanowires and process for fabricating article
JP2005159273A (en) * 2003-05-27 2005-06-16 Matsushita Electric Works Ltd Magnetic-electric conversion element, magnetism detecting device, and earth magnetism sensor
JP2009016767A (en) * 2007-07-09 2009-01-22 Fujitsu Ltd Nanomagnet, quantum device, and method for manufacturing same
KR20090081218A (en) * 2008-01-23 2009-07-28 삼성전자주식회사 Resonant structure comprising wire, resonant tunneling transistor, and method for fabricating the resonant structure

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11761917B2 (en) 2019-12-23 2023-09-19 Nanodx, Inc. Sensor system and methods
US11808722B2 (en) * 2019-12-23 2023-11-07 Nanodx, Inc. Sensor system and electrodes

Also Published As

Publication number Publication date
KR101479426B1 (en) 2015-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sawicki et al. Experimental probing of the interplay between ferromagnetism and localization in (Ga, Mn) As
US7482041B2 (en) Magnetically directed self-assembly of molecular electronic junctions
SE531384C2 (en) Multiple magnetoresistance devices based on metal doped magnesium oxide
Weiss et al. Multi-island single-electron devices from self-assembled colloidal nanocrystal chains
Montemurro et al. Suspended InAs nanowire Josephson junctions assembled via dielectrophoresis
WO2015068974A1 (en) Nano-wire device having conductive semicircular structure
Sugawara et al. Cotunneling current affected by spin-polarized wire molecules in networked gold nanoparticles
CN105609636B (en) Directional single-wall carbon nanotube array is the field-effect transistor and production method of raceway groove
Weis et al. Modified transmission-line method for evaluation of the contact resistance: effect of channel-length-dependent threshold voltage
WO2014046360A1 (en) Horizontal magnetic memory element using in-plane current and electric field
Nishiguchi et al. Single-electron thermal noise
Handziuk et al. Noise spectroscopy of tunable nanoconstrictions: molecule-free and molecule-modified
Xue et al. Microscopic theory of single-electron tunneling through molecular-assembled metallic nanoparticles
Inada et al. Crossover from Efros–Shklovskii variable range hopping to nearest-neighbor hopping in silicon nanocrystal random network
Ishiyama et al. Influence of defects on carrier injection in carbon nanotubes with defects
Oszwaldowski et al. Extraordinary magnetoresistace in planar configuration
Kang et al. Multi-layered nanocomposite dielectrics for high density organic memory devices
Gill et al. Insights into the electrophoretic deposition of colloidal II-VI nanorods: Optimization for vertically and horizontally aligned assemblies
Jørgensen et al. Critical and excess current through an open quantum dot: Temperature and magnetic-field dependence
JP6625281B1 (en) Reservoir element and neuromorphic element
EP4029060A1 (en) Semiconductor-superconductor heterostructure
Wojtaszek Graphene: a two type charge carrier system
KR100350794B1 (en) Spin valve SET using a carbon nanotube
US20130228364A1 (en) Method And System To Position Carbon Nanotubes Using AC Dielectrophoresis
US8767432B1 (en) Method and apparatus for controlled application of Oersted field to magnetic memory structure

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14860174

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14860174

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1