KR100350794B1 - 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터는, 단전자 트랜지스터에 있어서, 소스와 드레인 사이에 탄소나노튜브를 수평성장시켜 탄소나노튜브 브리지를 형성시킴으로써, 전자 단위의 전류 흐름을 제어할 수 있는 단전자 트랜지스터를 구성한다. 여기서, 소스와 드레인 사이에 형성된 탄소나노튜브 브리지는 반도체적 특성을 갖는 탄소나노튜브로 구성된다.
또한, 소스와 드레인 사이에 형성된 탄소나노튜브 브리지 위에, 에너지 장벽을 만들어 양자점을 형성하고 전류의 흐름을 제어할 수 있도록, 탄소나노튜브 브리지에 대한 수직 방향으로 게이트용 탄소나노튜브 브리지가 복수로 형성된다.
또한 소스 및 드레인 위에, 소스 및 드레인의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킬 수 있도록, 전류를 통과시킬 수 있는 도선이 형성되며, 또한 소스 위에 형성되는 도선과, 드레인 위에 형성되는 도선이 서로 평행하게 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브 브리지를 수평성장시켜 단전자 트랜지스터를 구현하고, 탄소나노튜브가 형성된 소스와 드레인 전극의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킴으로써, 스핀 밸브와 단전자 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 단전자 트랜지스터(SET: Single Electron Transistor)에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브 브리지(Carbon NanoTube Bridge)를 수평성장시켜 단전자 트랜지스터를 구현하고, 탄소나노튜브가 형성된 소스(source)와 드레인(drain) 전극의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킴으로써, 스핀 밸브(spin valve)와 단전자 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터에 관한 것이다.
오늘날, 1988년 자성금속과 비자성금속으로 이루어진 다층막에서 거대자기저항효과가 발견된 이래, 자성금속 박막의 연구는 전세계적으로 매우 활발하게 진행되고 있다. 한편, 자성금속에서는 전자들이 편향된 스핀(spin-polarized) 상태로 존재하므로 이를 활용하면 polarized spin current를 발생시킬 수 있다. 따라서, 이제까지는 충분히 이용되지 못한 자성을 발현하는 전자가 가지는 중요한 고유 특성인 스핀 자유도를 이용한 spin electronics 또는 magneto electronics의 이해와 발전에 많은 노력이 경주되고 있다.
최근, 나노구조의 자성 다층박막계에서 발견된 거대자기저항(GMR: Giant Mageneto Resistance), 터널링자기저항(TMR: Tunneling Magneto Resistance) 현상 등은 이미 MR 자기헤드 소자로 응용 제작되어 컴퓨터의 HDD에 장착되어 상용화되고 있는 중이다.
여기서 TMR이란, 강자성/절연체(반도체)/강자성 구조를 가진 접합에서 강자성체의 상대적인 자화방향에 따라 터널링 전류가 달라지는 현상을 말한다. 다른 자기저항보다 자기저항비가 크고 필드 감응도(field sensitivity)가 커서 차세대 자기저항 헤드나 자기메모리(MRAM: Magnetic Random Access Memory)용 재료로 활발히 연구되고 있다. 이때, 재현성있는 절연층의 형성과 접합(junction) 저항의 감소가 중요한 문제가 된다.
또한, 최근에는 낮은 자기장에서 자기저항 현상을 보이는 스핀밸브(spin-valve), 자기터널링접합(MTJ: Magnetic Tunneling Junction) 등을 이용한 MRAM 제작에 자성 응용분야의 많은 학자들이 활발한 연구를 진행하고 있다.
도 1은 일반적인 스핀 밸브의 원리를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)는 전자의 스핀이 고려되지 않은 경우의 터널링 효과를 나타낸 것이고, 도 1의 (b) 및 (c)는 전자의 스핀이 고려된 경우에 있어, 소스와 드레인의 스핀 방향이 같은 경우와 반대인 경우의 터널링 효과에 대하여 각각 나타낸 것이다.
도 1의 (a) 및 (b)에서는 게이트 전압에 의한 양자점 에너지 준위가 바뀌면서 소스와 에너지 준위가 일치하는 경우인 V1, V3에서 터널링이 증가한다. 이때,V2에서는 에너지 준위가 맞지 않기 때문에 터널링이 허락되지 않는다.
그리고, 도 1의 (c)와 같이 소스와 드레인에서의 스핀이 서로 반대인 경우에는 V1, V3에서도 터널링이 허락되지 않는데, 이는 TMR이 증가하는 개념과 같다.
한편, 양자점이나 0.1㎛ 이하 크기의 단전자 접합으로 이루어진 소자의 경우, 외부에서 인가하는 전압을 조정해줌으로써 전자 하나 하나의 움직임을 조절해줄 수 있는데, 이것을 단전자 효과라하며, 이러한 효과를 이용한 소자를 단전자 트랜지스터(SET: Single Electron Transistor)라 한다.
또한, 1차원적 양자선(Quantum Wire) 구조를 가지고 있으며, 우수한 기계적, 화학적인 특성과 함께 일차원에서의 양자적 전송(quantum transport) 현상을 보이는 등, 매우 흥미로운 전기적 특성을 가지고 있는 탄소나노튜브에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
현재까지 탄소나노튜브 합성 기술에서 중시되고 있는 기술은 '수직성장' 기술이다. 수직성장 기술이란 실리콘, 유리 등의 기판이나, 촉매 재료의 패턴이 형성되어 있는 기판에서, 기판에 수직한 방향으로 잘 정렬된 '보리밭'과 같은 형상의 탄소나노튜브를 성장시키는 기술을 말한다. 이미 이와 같은 탄소나노튜브의 수직성장 기술은 상당히 많이 보고되고 있다.
그러나, 앞으로 탄소나노튜브가 신기능성을 가지는 나노 디바이스로 이용되기 위해서는 수직성장 기술보다는 특정한 위치에서 선택적으로 수평성장시키는 기술이 응용 측면에서 훨씬 유용하며 절실하다. 몇몇의 선행 연구가 탄소나노튜브의 수평성장에 대해 보고하기는 하였으나, 대부분 수평성장은 수직성장이나 무작위 방향으로의 성장을 수반하므로, 재현성이 있는 조직을 얻기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 탄소나노튜브 브리지를 수평성장시켜 단전자 트랜지스터를 구현하고, 탄소나노튜브가 형성된 소스와 드레인 전극의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킴으로써, 스핀 밸브와 단전자 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 스핀 밸브의 원리를 개념적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명에 따른 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 다른 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 브리지를 수평성장시키는 제조 공정을 개념적으로 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210, 410... 소스(source)
220, 420... 드레인(drain)
230, 240, 430, 440, 490... 게이트
251, 252, 451, 452... 도선
260, 270, 280, 460, 470, 480... 탄소나노튜브 브리지
501... 기판
502... 촉매 패턴
503... 성장 억제층
504... 개구부
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터는, 단전자 트랜지스터에 있어서, 소스와 드레인 사이에 탄소나노튜브를 수평성장시켜 탄소나노튜브 브리지를 형성시킴으로써, 전자 단위의 전류 흐름을 제어할 수 있는 단전자 트랜지스터를 구성하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 소스와 드레인 사이에 형성된 상기 탄소나노튜브 브리지는 반도체적 특성을 갖는 탄소나노튜브인 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 소스와 드레인 사이에 형성된 상기 탄소나노튜브 브리지 위에, 에너지 장벽을 만들어 양자점을 형성하고 전류의 흐름을 제어할 수 있도록, 상기 탄소나노튜브 브리지에 대한 수직 방향으로 게이트용 탄소나노튜브 브리지가 복수로 형성된 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 복수의 게이트용 탄소나노튜브 브리지가 게이트를 형성함에 있어, 공통단자를 사용하여 양자점의 크기를 조정하는 점에 그 특징이 있다.
또한 상기 소스 및 드레인 위에, 상기 소스 및 드레인의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킬 수 있도록, 전류를 통과시킬 수 있는 도선이 형성되며, 또한 상기 소스 위에 형성되는 도선과, 상기 드레인 위에 형성되는 도선이 서로 평행하게 구성되는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브 브리지를 수평성장시켜 단전자 트랜지스터를 구현하고, 탄소나노튜브가 형성된 소스와 드레인 전극의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킴으로써, 스핀 밸브와 단전자 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명에 따른 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 스핀 밸브 단전자 트랜지스터는 소스(210)와 드레인(220) 사이에 탄소나노튜브를 수평성장시켜 탄소나노튜브 브리지(260)를 형성시킴으로써, 전자 단위의 전류 흐름을 제어할 수 있다. 이때, 상기 소스(210)와 드레인(220) 사이에 형성된 상기 탄소나노튜브 브리지(260)는 반도체적 특성을 갖는 탄소나노튜브로 구성된다.
또한, 상기 소스(210)와 드레인(22) 사이에 형성된 상기 탄소나노튜브 브리지(26)는 에너지 장벽을 만들어 양자점을 형성하고, 전류의 흐름을 제어할 수 있도록 형성된 복수의 게이트용 탄소나노튜브(270)(280) 위에 형성된다.
또한 상기 소스(210) 및 드레인(220) 위에, 상기 소스(210) 및 드레인(220)의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킬 수 있도록, 전류를 통과시킬 수 있는 도선(251)(252)이 형성되며, 또한 상기 소스(210) 위에 형성되는 도선(251)과, 상기 드레인(220) 위에 형성되는 도선(252)이 서로 평행하게 구성된다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 다른 실시 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 복수의 게이트용 탄소나노튜브 브리지(470)(480)가 게이트(430)(440)를 형성함에 있어, 공통단자(490)를 사용하여 양자점의 크기를 조정한다. 기타 다른 구성요소는 도 2 및 도 3에서 설명된 바와 동일하다.
그러면, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터의 동작을 설명해 보기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 소스(210)와 드레인(220) 사이에 형성된 반도체성 탄소나노튜브 브리지(260)에 있어, 제 1 게이트(230)와 제 2 게이트(240)로 정의된 탄소나노튜브 브리지(270)(280)에 양의 전압을 인가해 줌으로써 C1, C2 점에서의 전하를 부족하게 만들 수 있으며, 이는 곧 C1, C2 점에서 에너지 장벽을 만드는 효과로 볼 수 있다. 이에 따라, 상기 소스(210)와 드레인(220) 사이에 있는 탄소나노튜브 브리지(260)의 경우 C1과 C2 사이는 주변과 고립되기 때문에 양자점을 형성하게 된다.
또한, 상기 소스(210)와 드레인(220) 전극은 전이금속 촉매를 통해 탄소나노튜브 브리지(260)에 접해 있기 때문에 적당한 Coercive Force를 고려하여 Im1, Im2로 정의된 전류를 흘려 주어, 상기 소스(210)와 드레인(220) 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킬 수 있게 된다.
이와 같은 방법으로 상기 소스(210)로 주입되는 전자의 스핀을 조절할 수 있다. 이때, 상기 소스(210)와 C1 사이, C2와 상기 드레인(220) 전극 사이의 탄소나노튜브 브리지(260)가 Ballistic Conductor가 된다면 주입되는 전자의 스핀은 보존될 것이다.
따라서 C1, C2 사이에 형성된 양자점으로 전자가 터널링하여 출입할 때, 상기 소스(210)와 드레인(220)의 자화 방향에 따라, 스핀 방향이 같은 경우에는 터널링이 잘 일어나고, 스핀 방향이 반대인 경우에는 터널링이 잘 일어나지 않게 된다.
이와 같이, 채널용 탄소나노튜브 브리지(260)를 통해 흐르는 전류를 조절하여 스핀이 관계된 단전자 트랜지스터를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터를 구성하는 탄소나노튜브 브리지는 수평성장 방법을 통하여 형성되는데, 그 한 방법에 대하여 도 5를 참조하여 설명해 보기로 한다. 도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 브리지를 수평성장시키는 제조 공정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
탄소나노튜브 브리지의 제조는, 도 5의 (a) 내지 (d)에 나타낸 바와 같이, 먼저 기판(501) 상에 소정의 촉매 패턴(502)이 형성된다. 그리고, 상기 기판(501) 위에 탄소나노튜브의 수직 성장을 억제하는 성장 억제층(503)이 형성된다.
또한, 상기 기판(501) 및 수직성장을 억제하는 성장 억제층(503)에 개구부 (504)를 형성하여 상기 촉매 패턴(502)을 노출시킨다. 그리고, 상기 노출된 촉매 패턴 위치에서 탄소나노튜브를 합성함으로써, 수평성장된 탄소나노튜브 브리지를 얻을 수 있다.
이때, 상기 기판(501) 및 탄소나노튜브의 성장을 억제하는 성장 억제층(503)으로는 목적에 따라 실리콘, 유리, 실리콘 옥사이드, ITO(Indium Tin Oxide) 코팅 유리 등이 다양하게 이용될 수 있다.
또한, 상기 촉매 패턴(502)을 형성하는 촉매로는 금속이나 이를 함유한 합금, 초전도 금속, 특이금속 등이 사용될 수 있으며, 이들은 리소그라피 (lithography), 스퍼터링(sputtering), 증착(evaporation) 등의 공정을 통하여 소정의 촉매 패턴(502)으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 개구부(504)는 레이저 드릴링(laser drilling), 습식 에칭(wet etching), 건식 에칭(dry etching), 포토 리소그라피(photo-lithography), 전자빔 리소그라피(E-beam lithography) 등의 방법을 통하여 형성될 수 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터에 의하면, 탄소나노튜브 브리지를 수평성장시켜 단전자 트랜지스터를 구현하고, 탄소나노튜브가 형성된 소스와 드레인 전극의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킴으로써, 스핀 밸브와 단전자 트랜지스터를 동시에 구현할 수 있는 장점이 있다.
Claims (6)
- 단전자 트랜지스터(SET)에 있어서,소스(source)와 드레인(drain) 사이에 탄소나노튜브(Carbon NanoTube)를 수평성장시켜 탄소나노튜브 브리지를 형성시킴으로써, 전자 단위의 전류 흐름을 제어할 수 있는 단전자 트랜지스터를 구성하는 것을 특징으로하는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 소스와 드레인 사이에 형성된 상기 탄소나노튜브 브리지는 반도체적 특성을 갖는 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터.
- 제 1항에 있어서,상기 소스와 드레인 사이에 형성된 상기 탄소나노튜브 브리지 위에, 에너지 장벽을 만들어 양자점을 형성하고 전류의 흐름을 제어할 수 있도록, 상기 탄소나노튜브 브리지에 대한 수직 방향으로 게이트용 탄소나노튜브 브리지가 복수로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터.
- 제 3항에 있어서,상기 복수의 게이트용 탄소나노튜브 브리지가 게이트를 형성함에 있어, 공통단자를 사용하여 양자점의 크기를 조정하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터.
- 제 1항, 제 3항 또는 제 4항에 있어서,상기 소스 및 드레인 위에, 상기 소스 및 드레인의 접촉 촉매를 원하는 방향으로 자화시킬 수 있도록, 전류를 통과시킬 수 있는 도선이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터.
- 제 5항에 있어서,상기 소스 위에 형성되는 도선과, 상기 드레인 위에 형성되는 도선이 서로 평행하게 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 스핀 밸브 단전자 트랜지스터.
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