KR100851891B1 - Multilayer structure having high spin injection ratio using conductive nitride as a spacer - Google Patents

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KR100851891B1 KR20060128886A KR20060128886A KR100851891B1 KR 100851891 B1 KR100851891 B1 KR 100851891B1 KR 20060128886 A KR20060128886 A KR 20060128886A KR 20060128886 A KR20060128886 A KR 20060128886A KR 100851891 B1 KR100851891 B1 KR 100851891B1
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안효신
이광렬
이승철
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 비자성 또는 자성 반도체에 특정한 스핀 방향을 가진 전자를 주입할 때 높은 스핀주입 효율을 나타낼 수 있는 다층막 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전이금속 질화물 중 전도성 질화물인 TiN, TaN, NbN, ZrN 등을 강자성 물질과 반도체 물질의 사이층으로 사용한 다층막 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention is a non-magnetic or magnetic to inject electrons with a particular spin direction in the semiconductor relates to a high-spin multi-layer film structure that can represent the injection efficiency and a method of manufacturing the same, more particularly, to transition metal nitride of the conductive nitride TiN, multi-layered film structure using such as TaN, NbN, ZrN between the layer of the ferromagnetic material and the semiconductor material and to a method of manufacturing the same. 본 발명에 의한 다층막 구조는 강자성 물질/반도체의 접합에서 나타나는 쇼트키 장벽(Schottky Barrier), 전도도 불일치(Conductivity Mismatch), 그리고 계면 형상의 불균일성을 나타내지 않으며, 높은 스핀주입 효율을 달성한다. Multi-film structure according to the present invention does not represent a Schottky barrier (Schottky Barrier), conductivity mismatch (Conductivity Mismatch), and non-uniformity of the surface shape shown in the ferromagnetic material / semiconductor junction, it achieves a high spin injection efficiency. 따라서 본 발명에서 얻어진 다층막 구조를 이용하면 종래의 강자성 물질/반도체 접합에 비해 더 높은 스핀주입효율을 가진 소자를 제조할 수 있는 장점이 있다. Therefore, there is an advantage that can be used when manufacturing a device having a high spin injection efficiency more than the conventional ferromagnetic material / bonding the semiconductor multilayer film structure obtained in the present invention.
스핀주입, 전도성 질화물, 사이층, 다층막 구조, 스핀전자소자, 스핀 반도체, 반금속 Spin injection, a conductive nitride, between the layers, the multilayer film structure, spin electronics, the spin semiconductor, semi-metal

Description

전도성 질화물을 사이층으로 사용한 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조 {MULTILAYER STRUCTURE HAVING HIGH SPIN INJECTION RATIO USING CONDUCTIVE NITRIDE AS A SPACER} Multi-layer film structure having a high spin injection efficiency using the conductive nitride layer in between {MULTILAYER STRUCTURE HAVING HIGH SPIN INJECTION RATIO USING CONDUCTIVE NITRIDE AS A SPACER}

도 1은 본 발명에 따라 전도성 질화물을 사이층으로 사용한 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조의 모식도, 1 is a schematic view of a multi-film structure having a high spin injection efficiency using the conductive nitride layer in between according to the present invention,

도 2는 p-형 GaN 기판에 TiN 박막을 형성할 경우 옴 접합이 나타나는 실험결과를 도시한 그래프, Figure 2 is showing an experimental result of the ohmic junction that occur when forming a TiN thin film on the p- type GaN substrate graph,

도 3은 p-형 GaN 기판에 TiN 박막을 형성할 경우 얻어지는 계면 구조에 대한 고해상도 투과형전자현미경(High Resolution Transmission Electron Microscopy) 사진이다. Figure 3 is a high resolution transmission electron microscope (High Resolution Transmission Electron Microscopy) photograph of the interface structure is obtained for forming a TiN film on p- type GaN substrate.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *** *** Description of the Related Art ***

1: 스핀주입 전극층 1: spin injection electrode layer

2: 전도성 질화물 사이층 2 between the conductive nitride layer

3: 반도체층 3: semiconductor layer

본 발명은 비자성 또는 자성 반도체에 특정한 스핀 방향을 가진 전자를 주입할 때 높은 스핀주입 효율을 나타낼 수 있는 다층막 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전이금속 질화물 중 전도성 질화물인 TiN, TaN, NbN, ZrN 등을 강자성 물질과 반도체 물질의 사이층으로 사용한 다층막 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention is a non-magnetic or magnetic to inject electrons with a particular spin direction in the semiconductor relates to a high-spin multi-layer film structure that can represent the injection efficiency and a method of manufacturing the same, more particularly, to transition metal nitride of the conductive nitride TiN, multi-layered film structure using such as TaN, NbN, ZrN between the layer of the ferromagnetic material and the semiconductor material and to a method of manufacturing the same.

스핀전자소자는 정보 저장과 정보의 처리를 전자의 전하의 양을 제어해 구현하는 것이 아니라 전자의 내재적인 성질(intrinsic property), 즉 스핀을 통해 처리하는 소자이다. Spin electronic device is a device for processing by the data storage, that is, the spin, rather than implemented by controlling the amount of charge of the electron intrinsic properties of the electron (intrinsic property) the processing of the information. 종래에는 금속 박막을 통한 소자의 제조에 주로 연구가 집중되었지만, 최근에는 반도체 물질을 사용해 스핀전자소자를 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. Conventionally, studies have been mainly focused on manufacture of the device through the metal thin film, and has recently been studied to implement a spin electronic device using a semiconductor material actively. 전형적인 스핀전자소자의 구조는 스핀주입 전극, 계면(interface), 결맞음(coherency)을 유지하며 분극되어 주입된 스핀이 조작되는 매체(medium), 또 다른 계면 및 스핀의 방향을 검출(detect)하는 전극으로 이루어진다. The structure of a typical spin-electronic devices are electrodes for spin injection electrode, a surface (interface), coherence (coherency) to maintain and the polarization of the spin operation the medium (medium), another interface and detects the direction of the spin (detect) that are injected It consists of. 스핀의 주입과 검출은 주로 광학적인 방법을 사용하고 있다. Injection and the detection of the spin is using mainly optical methods. 강자성 주입기와 검출기는 높은 스핀 분극도를 갖고 매체와 호환성(compatibility)이 있어야 한다. Ferromagnetic injector and the detector has a high spin polarization also have a medium compatible (compatibility). 스핀전자소자가 실현되기 위한 가장 기초적인 전제조건은 선택된 스핀을 주입할 수 있는 물질이 있어야 한다는 것이다. The basic prerequisite for a spin electronic device is realized is that it must have a material which may be injected into the selected spin.

종래 강자성 주입기로서는 3d 전자를 가진 강자성 금속 또는 합금이 주로 연구되었는데, 이때 강자성 금속의 스핀 분극도(전도전자 중 up-스핀과 down-스핀의 비를 말하며, 100%는 모든 전자의 스핀이 한 방향으로만 배열되어 있음을 의미하고 0%는 up-스핀과 down-스핀 전자의 비가 50:50이라는 것을 의미한다)는 40-50%의 값 을 가진다. Prior injectors was ferromagnetic As studies are ferromagnetic metal or alloy having a 3d electron, mainly, wherein the spin polarization of the ferromagnetic metal also means the ratio of the (conduction electron spin of the up- and down- spin, 100%, to a direction of all the electron spins It means that only the array and means that the ratio of 0% is 50: 50 in the up- and down- spin-spin electrons) has a value of 40-50%. 그러나 강자성 금속에서 반도체로 스핀을 주입하는데 기본적인 장벽이 존재한다는 것이 이론적으로 주장되었다. However, it was argued in theory that the fundamental barriers to inject a spin in the ferromagnetic metal into a semiconductor. 슈미트(Schmidt)의 이론에 따르면 강자성 금속에서 반도체로 스핀주입이 효율적으로 일어나기 위해서는 금속의 전도도가 반도체의 전도도 보다 작거나 같아야 한다. According to the theory of Schmidt (Schmidt) to occur in the ferromagnetic metal as a spin injection efficiency of a semiconductor and a metal of the conductivity be less than or equal to the conductivity of the semiconductor. 그러나, 금속과 반도체의 전도도의 차이는 1000 배 내지 100만 배나 되기 때문에 현실적으로 강자성 금속에서 반도체로의 스핀주입은 불가능한 것으로 밝혀졌다. However, the difference in conductivity of the metal and the semiconductor is implanted to the semiconductor spin in the ferromagnetic metal, since in reality to 100 times to 1000 times man has been found to be impossible.

강자성 금속에서 반도체로의 스핀주입이 왜 현실적으로 불가능한지에 대해 알려지게 되자, 연구자들은 많은 대안을 제시하였다. In a ferromagnetic metal doeja known about whether the spin injection into semiconductors Why realistically impossible, researchers have proposed a number of alternatives. 그에 관한 예를 들면 다음과 같다. For example: thereof.

첫 번째 대안은 강자성 반도체를 스핀주입물질로 사용하는 것이다. The first alternative is to use a spin-injection substance for the ferromagnetic semiconductor. 만약 반도체가 강자성을 띤다면 즉, 스핀 분극도가 0이 아닌 값을 가진다면 이론적으로 제안된 전도도의 불일치의 문제를 해결할 수 있다는 것이다. If there is a ferromagnetic semiconductor surface ttinda In other words, the spin polarization degree if you have a non-zero value to resolve the mismatch of the proposed theoretical conductivity. 그리고, 반도체 물질을 사용하기 때문에 기존의 반도체 산업에서 사용하는 장치의 큰 수정이 없이도 응용이 가능하다는 장점이 있다. In addition, there is an advantage that the application is possible without a major modification of existing equipment used in the semiconductor industry because it uses a semiconductor material. 이 분야에서는 GaAs에 Mn을 주입하여 강자성 물질로 만든 오노(Ohno) 등의 연구가 잘 알려져 있다. In the field studies, such as by injecting a Mn in GaAs Ohno (Ohno) made of a ferromagnetic material it is well known. 그러나, 이런 물질에는 몇 가지 문제점이 있다. However, this material has several problems. 즉, 스핀전자소자는 상온에서 작동해야 하는데 강자성 반도체가 자성을 띠는 최고의 온도 즉, 큐리 온도가 상온에서 한참 못 미친다는 것이다. That is, the spin electronic device is that the highest temperature that is, the Curie temperature to be operated at room temperature ferromagnetic semiconductor exhibiting magnetism long nail exerts at room temperature. 가장 높은 큐리 온도를 가지는 자성 반도체는 절대온도 110 K 근처라고 알려져 있다. Ferromagnetic semiconductor has the highest Curie temperature is known as the absolute temperature near 110 K. 또 다른 문제는 강자성 반도체가 자성을 띠는 이유가 전자가 아니라 홀을 매개로 강자성을 띤다는 것이다. Another problem is that the ferromagnetic semiconductor ferromagnetism is mediated ttinda holes rather than electrons because the magnetic strip. 이것은 스핀을 주입하기 위해서는 전자가 반드시 필요한데 자 성을 매개하는 물질이 전자가 아니라 홀이라면 스핀을 주입할 수 없다는 문제가 있음을 의미한다. This means that in order to inject spin electrons have a problem necessarily requires the parties to mediate the matter castle that can be injected into a spin if not the e-hall. 마지막 문제점으로는 자성이 전자에 의해 나타나는 강자성 반도체의 경우에 스핀 전자를 주입할 경우 주입되는 전자의 절대 수가 부족하여 실제로 측정이 곤란하다는 단점이 있다. The last problem is in fact a drawback that the measurement is difficult to be injected when the magnetic spin electrons of the ferromagnetic semiconductor in the case described by the absolute number of a lack of electron is injected e.

두 번째 대안은, 스핀 분극도가 100%인 물질을 이용하는 것이다. The second alternative is to spin polarization degree using a 100% material. 아무리 전도도의 차이가 크더라도 주입되는 전자가 단지 업스핀(up-spin) 전자인 경우에는 어쨌든 스핀이 주입되기 때문에 전도도의 문제를 해결할 수 있다는 것이다. No matter if the electrons are injected even greater difference in conductivity is only up-spin (up-spin) electrons there anyway that they can solve the problem of conductivity because the spin is injected. 이런 관점에서 반금속(half metal: 전도전자가 한 방향의 스핀으로만 이루어진 물질)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Metalloid from this point of view: it is being actively study on (half metal conduction electrons is only made of material with a spin in one direction). 그러나, 반금속의 경우에도 몇 가지 문제점이 있는데, 이론적으로 반금속이라 하더라도 상온에서 그 성질을 계속 유지할 것인가의 문제가 되며, 또한 반금속의 경우 대부분이 산화물로서 실리콘 또는 다른 반도체에 계면을 형성하였다고 보고된 바가 없다는 점이 문제가 된다. However, there are some problems in the case of semi-metal, even in a theoretically metalloid is still the problem of whether to maintain the properties at room temperature, and hayeotdago for most semi-metal forming a surface on a silicon or other semiconductor as an oxide the inability to see the bar becomes a problem. 즉, 기존의 반도체 산업에 응용하기 위해서는 실리콘 또는 다른 반도체 위에 박막의 형태로 제조되어야 하는데 아직 이런 박막을 형성하였다는 보고가 없다는 것은 그만큼 반금속 박막을 제조하는 것이 어렵다는 것을 의미한다. In other words, to the application to the existing semiconductor industry there is a report to be prepared in the form of a thin film on a silicon or other semiconductor thin film was formed yet this means that much difficulty in preparing a semi-metal thin film.

세 번째 대안으로는 강자성 금속과 반도체 물질 사이의 전도도 차이가 크고 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 형성되어 전자가 저항성 접촉(Ohmic contact)을 통해 주입될 수 없다면 전자를 터널링(tunneling) 현상을 이용해 주입하는 것이다. A third alternative is the conductivity differences between the ferromagnetic metal and a semiconductor material, a large Schottky barrier (Schottky barrier) formed electrons are injected with an ohmic contact (Ohmic contact) tunneling (tunneling) electrons If can be introduced through the developer to. 즉, 강자성 금속과 반도체 사이에 절연막을 형성하여 스핀 분극된 전자가 절연막을 터널링을 통해 통과하도록 하는 방법이다. That is, a method for forming an insulating film between the ferromagnetic metal and a semiconductor spin-polarized electrons so that the insulation film passed through the tunnel. 이 방법을 사용하면 강자성 금속과 반도 체를 사용해도 높은 수준의 스핀 분극도를 가진 전자를 주입할 수 있는 장점이 있다. Using this method, there is an advantage that can be used ferromagnetic metals and semiconductors inject electrons with a high degree of spin polarization degrees. 그러나 이 방법의 경우 터널링이라는 방법을 사용함으로써 많은 양의 전자를 주입할 수 없기 때문에 전자의 절대수가 작다는 단점이 있다. However, because you can not inject a large amount of electrons by a method using a method called tunneling case of small absolute number of electrons it is the drawbacks.

그 외 내재적 쇼트키 장벽(intrinsic Schottky barrier)을 사용하는 방법과 스핀의 방향에 민감한 계면을 형성해 스핀주입을 선택적으로 하는 방법들이 있다. There are other inherent Schottky barrier (Schottky barrier intrinsic) how to use and how to form a sensitive surface in the direction of the spin to spin injection as selective.

이상과 같이, 이제까지 제안된 스핀주입방법은 각 방법의 장점은 가지고 있지만 포괄적으로 스핀전자소자에 사용되기 위해서는 모두 각자의 단점이 있어 아직 스핀주입에 대한 확립된 방법은 없는 것이 현실이다. As described above, the spin injection method has ever suggested it is all their own shortcomings in order to be used in spin electronics globally, but has the advantages of each method, yet an established method for the spin injection, it is not realistic.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 전도성 질화물을 사이층으로 사용하여 비자성 또는 자성 반도체에 특정한 스핀 방향을 가진 전자를 주입할 때 높은 스핀주입효율을 나타낼 수 있는 다층막 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention to solve the above problems, when using conductive nitride as between the layers to inject electrons with a particular spin direction in the non-magnetic or magnetic semiconductor to provide a multi-layer film structure capable of exhibiting a high spin injection efficiency and that for the purpose.

또 한편으로, 본 발명은 상기와 같은 다층막 구조의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. On the other hand, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a multilayer structure as described above.

기타 본 발명의 목적 및 특징은 후술하는 상세한 설명 및 특허청구범위에 의해 보다 명확하게 제시될 것이다. Other objects and features of this invention will be shown more clearly from the detailed description and claims to be described later.

이하, 본 발명의 전도성 질화물을 사이층으로 사용한 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조 및 그 제조방법에 관하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter to be described in detail with respect to the multi-layer film structure and a manufacturing method having a high spin injection efficiency using conductive nitride as between layers of the present invention.

먼저 본 발명의 전도성 질화물을 사이층으로 사용한 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조의 구성을 살펴보면 다음과 같다. Referring first to the configuration of the multi-layer film structure having a high spin injection efficiency using a conductive nitride of the present invention between the layers as follows.

본 발명의 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조는 도 1과 같이 스핀주입 전극층(1), 전도성 질화물 사이층(2) 및 반도체층(3)으로 이루어진다. Multi-layered film having a high spin injection efficiency of the present invention, the structure is made by spin-injection electrode layer (1), between the conductive nitride layer 2 and semiconductor layer 3 as shown in Fig.

본 발명에서 상기 스핀주입 전극층(1)에는 강자성 재료를 사용하는데, 강자성 재료로는 Fe, CoFe 등의 상온에서 강자성을 보이는 강자성 금속이나 합금 또는 CrO 2 , 이중 페로브스카이트(double perovskite) 등의 반금속이 사용될 수 있다. In the present invention, such as the spin-injection electrode layer (1) to use a ferromagnetic material, a ferromagnetic material as is Fe, CoFe, such as ferromagnetism at room temperature showing the ferromagnetic metal or alloy, or CrO 2, the double perovskite (double perovskite) there is a semi-metal can be used.

본 발명에서 상기 전도성 질화물 사이층(2)에는 TiN, TaN, NbN, ZrN 등의 전도성 질화물이 사용되어지고, 나아가 상기 전도성 질화물에 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 등의 전이금속이 도핑되어 사용될 수도 있다. Layer (2) between the conductive nitride in the present invention include TiN, TaN, NbN, is a conductive nitride such as ZrN is used, and further a transition metal such as Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu doped in the conductive nitride It is may be used. 이때, 전도성 질화물에 도핑된 전이금속의 양은 1∼10 at%인 것이 바람직하다. At this time, the amount of transition metal doped in the conductive nitride is preferably 1~10 at%. 전이금속의 양이 1 at%보다 작으면, 전이금속의 농도가 너무 낮아 매우 희박한 강자성체가 되고, 이 경우 강자성을 나타낼 수 있는 온도가 상온 이하가 될 수 있다. When the amount of the transition metal is less than 1 at%, the concentration of the transition metal becomes too low to very sparse ferromagnetic material, in this case, the temperature that can represent the ferromagnetic can be a room temperature or less. 전이금속의 양이 10 at%보다 크면, 전이금속은 같은 전이금속끼리 모이려는 경향이 크므로, 전이금속이 질화물의 기지에 균일하게 분포되기보다는 전이금속이 질화물 기지(matrix)에 편석되고, 편석이 되면 자기적 성질이 나타난다 하더라도 이것은 편석된 전이금속에 기인한 것이고 질화물 기지는 아무런 효과를 없게 되기 때문에, 이러한 경우는 본 발명에서 필요로 하는 스핀 분극 효과가 나타나지 않을 수 있다. The transition metal-transition metal between feeders tend to be larger want amount is greater than 10 at%, transition metals such as the transition metal is the transition metal, rather than being uniformly distributed in the nitride-base and segregation in the nitride base (matrix), Pt even when the magnetic properties because it will seat when the transition caused by the segregation of metal nitride base becomes impossible for any effect, this case may not appear on the spin polarization effect required by the invention. 전도성 질화물 사이층 또는 전이금속이 첨가된 전도성 질화물 사이층(2)은 전도도의 크기가 반도체와 유사하며 상온에서도 자성을 띠고 있기 때문에 효율적으로 반도체에 스핀 전자를 주입할 수 있다. Between the conductive layer between the nitride layer or a transition metal is added to a conductive nitride (2) can be injected spin electrons efficiently into the semiconductor, because the size of a conductivity similar to the semiconductor and the magnetic tinged even at room temperature. 또한, TiN 박막 등은 기존 반도체 산업에서 매우 광범위하게 응용되고 있는 물질이기 때문에 쉽게 스핀전자소자의 제조에 응용될 수 있는 장점이 있다. In addition, TiN thin film, such as is advantageous in that can be easily applied to the production of spin-electronic devices since the material that has been applied very widely in the existing semiconductor industry.

보통의 질화물은 질소의 강한 결합력으로 인해 절연체 또는 반도체의 특성을 띠는 것이 일반적인데 전도성 질화물의 경우 금속보다는 전도도가 작지만 금속의 전자 성질을 가지고 있기 때문에, 금속, 특히 준금속(semi-metal)으로 취급된다. In the usual nitride is an insulator or inde generally exhibits the properties of the semiconductor if the conductive nitride, because the conductivity is small, but with the electronic properties of the metal rather than the metal, metal, in particular semi-metal (semi-metal) because of the strong binding force of the nitrogen It is treated. 전도성 질화물의 결정구조는 암염(NaCl)의 구조를 가지고 있는 매우 단순한 형태의 결정으로써 평균 전도도는 높은 수위로 도핑된 반도체의 전도도와 거의 비슷한 크기를 가지고 있다. The crystal structure of the electrically conductive nitride is rock salt (NaCl) mean conductivity as a very simple form of a crystal having a structure of approximately the same size and has a conductivity of a semiconductor doped with a high water level. 즉, 전도성 질화물이 금속이기는 하지만 전도도는 금속에 비해 상당히 낮고 반도체와 유사한 값을 가진다는 것이다. That is, a conductive metal nitride Although conductivity is considerably lower than that for metal have similar values ​​to the semiconductor.

또한, 도 2는 TiN/GaN 접합에서의 전류(I)-전압(V) 곡선을 나타내는데, 도 2를 참조하면 전압이 인가될 때 전류가 선형적으로 변화하는 것을 알 수 있다. In addition, Figure 2 is a current (I) of the TiN / GaN junction can be seen that when the voltage (V) represent the curve, with reference to FIG. 2, the current changes linearly when the voltage is applied. 이는 전도성 질화물(TiN)과 반도체(p-형 GaN) 사이에 계면을 형성할 경우 통상의 금속과 반도체 사이의 계면에서 발견되는 쇼트키 장벽은 형성되지 않고 일반적인 옴 접합(Ohmic contact)이 형성된다는 것을 의미한다. Which the conductive nitride (TiN) and the semiconductor (p- type GaN) when forming the interface between the conventional Schottky barrier are found in the interface between the metal and the semiconductor is not formed ohm common junction (Ohmic contact) that is formed it means. 즉, 전류를 흐르게 하기 위해 전압이 일정 이상 필요한 것이 아니라, 낮은 전압에서도 전류가 흐를 수 있다는 것을 보여준다. That is, this shows that the voltage current to flow even at a low voltage, rather than, over a certain required to flow a current. 전도성 질화물(TiN)과 반도체(GaN) 접합의 경계면에서는 일함수 값이 높지 않기 때문에 옴 접합을 이루는 것이다. The interface between the conductive nitride (TiN) and the semiconductor (GaN) bonded to form a bonded ohmic, because the high work function value. 따라서, TiN을 통해 GaN으로 전자가 이동한다고 할 때 장벽을 느끼지 않고 이동할 수 있기 때문에, 장벽을 통한 터널링시 발생할 수 있는 정보의 손실(예컨대, 전자의 스핀 상태의 변화)이 없이 통과할 수 있다. Therefore, it is possible to move without feeling the barrier when that electrons move to GaN over the TiN, may be passed through without loss of information that may occur in tunneling through the barrier (e.g., a change in the spin state of the electrons).

또한, 전도성 질화물은 매우 높은 경도를 가진 물질로서 일단 박막이 형성되면 도 3에 나타낸 바와 같이 매우 평탄한 계면을 가지는 박막을 형성할 수 있다. Further, the conductive nitride is a material having a very high hardness can be formed a thin film having a very smooth surface as shown in Figure 3. Once the thin film is formed. 그리고, 전도성 질화물의 대표적인 물질인 TiN의 경우 반도체와 구리 또는 알미늄 사이의 계면에서 일어나는 상호확산을 억제하기 위한 확산 장벽물질로서 현대 반도체 산업에서 일반적으로 응용되고 있는 물질이다. And, in the case of a conductive material representative of the nitride TiN as a diffusion barrier material for suppressing the mutual diffusion occurs at the interface between the semiconductor and the copper or aluminum is a material which is generally applied in the modern semiconductor industry.

이와 같은 전도성 질화물의 일반적인 성질을 이용하여 스핀전자소자의 구현에 있어 핵심적인 기술 중의 하나인 효율적인 스핀주입을 위해 전도성 질화물을 강자성 물질과 반도체 사이의 사이층으로 사용하는 것이다. This will by using the general nature of the same conductive nitride using a nitride conductive for one of the effective spin injection of the key technologies in the implementation of a spin electronic device in between layer between the ferromagnetic material and the semiconductor. 이와 같이 전도성 질화물을 사이층으로 사용하면 종래 반도체와의 깨끗한 계면을 형성할 수 없다고 알려진 산화물 반금속(CrO 2 , 이중 페로브스카이트 등)도 스핀주입용 전극으로 사용할 수 있게 된다. Thus conductivity Using a nitride layer between the prior known that a clean interface with the semiconductor to form an oxide metalloid (CrO 2, double perovskite, etc.) it is possible also be used as an electrode for injecting spin. 그 이유는 반금속은 직접 반도체와 계면을 형성하는 것이 아니라 전도성 질화물과 계면을 형성하는데 전도성 질화물의 경우 경도가 매우 높고 단순한 결정구조를 가지기 때문에 산화물 반금속과 깨끗한 계면을 형성할 수 있기 때문이다. The reason is that a metalloid is due to be directly used as well to form the semiconductor and the interface forming a conductive nitride, and an interface for conducting nitride hardness is very high and form an oxide semi-metal and a clean surface because it has a simple crystal structure. 이 경우 사용가능한 반도체로는 Si, GaAs, GaN 등의 반도체 물질이 가능하다. In this case the available semiconductors may be a semiconductor material such as Si, GaAs, GaN. Si의 경우 이미 TiN과 좋은 계면을 이룬다고 잘 알려져 있으며 현재 Si 기반 반도체 산업에서 광범위하게 응용되고 있다. In the case of Si already form a TiN and a good interface and is well known and has been widely applied in the Si-based semiconductor industry today. 또한, TiN 박막은 GaN과 결정성이 좋은 계면을 만드는 것으로 보고되어 있으며, 도 3에 계면의 구조에 대한 고해상도 투과전자현미경 분석결과를 도시하였다. In addition, TiN thin film has been reported to make a good and the GaN crystalline surface, and shows a high-resolution transmission electron microscopy (TEM) analysis results for the surface structure in FIG.

다음으로, 상기와 같은 다층막 구조를 제조하기 위한 방법을 설명하도록 한다. Next, to explain the method for manufacturing a multilayer structure as described above.

본 발명에 의한 전도성 질화물을 사이층으로 사용한 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조의 제조방법은 반도체층 위에 전도성 질화물 사이층 또는 전이금속이 첨가된 전도성 질화물 사이층을 형성하는 단계와, 상기 형성된 전도성 질화물 사이층 위에 강자성 재료로 이루어진 스핀주입 전극층을 형성하는 단계로 이루어진다. Method of manufacturing a multi-layer film structure having a high spin injection efficiency using a conductive nitride of the present invention between the layer and forming a layer between the two layers between the conductive nitride on a semiconductor layer or a transition metal is added conductive nitride, the formed conductive nitride a step of forming a spin-injection electrode layer made of a ferromagnetic material between the above layer.

전이금속이 첨가된 전도성 질화물 사이층 형성방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. If the transition metal is specifically described as a conductive nitride layer between forming method is added as follows.

첫째, 먼저 전도성 질화물 박막을 반응성 스퍼터링 방법을 사용해 박막을 형성한 후 전이금속을 이온 주입 방법을 통해 나중에 첨가하는 방법이다. First, the first method of using a reactive sputtering method, a conductive nitride thin film a transition added later by an ion implantation method after the metal forming the thin film. 이때 질화물 박막은 통상의 질화물 형성방법을 사용하며, 제조된 박막은 통상적으로 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 두께를 갖는다. At this time, the nitride film is used, and a conventional nitride-forming method, the produced thin film is typically may have a thickness of nanometers to several tens of nanometers. 통상의 질화물 형성방법은 반응성 스퍼터링이 가장 널리 사용되지만 이에 국한될 필요는 없다. Conventional nitride-forming method is a reactive sputtering is the most commonly used, but not necessarily limited to this. 왜냐하면 전도성 질화물 박막은 어떤 방법을 사용해서 제조하더라도 암염구조를 가지며 화학량론(stoichiometry)이 1:1에 근접하면 되기 때문이다. Because conductive nitride thin film, even if prepared using any method having a rock salt structure, stoichiometry (stoichiometry) is 1: is because when close to 1. 스퍼터링 이외의 다른 방법의 대표적인 예로는 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)을 들 수 있다. Representative examples of other method other than sputtering, may be mentioned MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). 기(旣) 제조된 전도성 질화물에 전이금속원소를 첨가한다. The transition metal element in the conductive nitride produced based (旣) is added. 주로 사용될 수 있는 방법은 이온 주입(ion implantation)이며, 통상의 에너지는 원자당 100 keV에서 500 keV의 에너지를 사용한다. Methods that can be used mainly is the ion implantation (ion implantation), the conventional energy uses of energy 500 keV in 100 keV per atom. 이온 주입 외에 높은 에너지를 가지며 원소가 주입되는 방법은 어떤 방법이든 적용이 가능하다. In addition to ion implantation having a high energy methods element is injected it is applicable to any method. 전도성 질화물은 높은 강도를 가지기 때문에 높은 에너지의 원자가 박막에 첨가되어야만 박막 내부로 혼입될 수 있다. Conductive nitride can be incorporated into the thin film must be added to the inner thin film of high energy atoms because it has a high strength.

둘째, 전도성 질화물 박막을 형성함과 동시에 전이금속을 첨가하는 방법이 있다. Second, there is a method of simultaneously forming a conductive nitride thin film was added to the transition metal. 동시에 첨가하는 방법으로는 통상의 전도성 질화물을 형성하는 반응성 스퍼터링에 전이금속 타겟(target)을 추가하는 방식을 예로 들 수 있으나, 이런 방식에 국한되지 않는다. A method of adding at the same time, but can include a method of adding a transition metal target (target) to reactive sputtering to form a conductive nitride conventional example, and is not limited to this way. 왜냐하면 전도성 질화물에 전이금속이 치환되기만 하면 자기적 성질을 나타낼 수 있기 때문이다. This is because you can exhibit magnetic properties, because as long as the transition metal-substituted in the conductive nitride. 그 외의 방법으로는 분자빔성장법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 그 외의 높은 결정성을 가진 방법 모두를 포괄한다. That the other way is intended to cover all of which contains a molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy), or other highly crystalline. 전이금속이 전도성 질화물에 첨가되면 자기적 성질을 띠는 현상을 이용하여 반도체로 효율적인 스핀주입을 가능하게 하는 방법으로서 일단 전도성 질화물의 암염 결정 구조에 전이금속이 치환된 구조를 가질 수 있다면 기(旣) 예시된 방법에 국한되지 않는다. Transition metal when added to the conductive nitride, if magnetic property is one transition metal in the rock-salt crystal structure of a conductive nitride of a method using a developing belt which enables an efficient spin injection to the semiconductor it may have a substituted with group (旣) it is not limited to the illustrated method.

제조된 전도성 질화물 박막에 강자성 재료로 이루어진 박막을 형성하는 단계에서는 강자성 금속 박막을 형성하는 방법, 예컨대 스퍼터링 또는 물리 증착법을 사용할 수 있다. In forming a thin film made of a ferromagnetic material to the prepared conductive nitride thin film may be used a method of forming a ferromagnetic metal thin film, such as sputtering or physical vapor deposition. 또한 반금속 박막(CrO 2 , 이중 페로브스카이트 등)의 경우 통상 화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)을 사용할 수도 있다. Or it may be used the conventional chemical vapor deposition method (Chemical Vapor Deposition) In the case of semi-metal thin-film (CrO 2, double perovskite, etc.).

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 추가적인 장비의 제조를 요하지 않고 기 조업 중인 장비의 수정만으로 높은 수준의 스핀주입효과를 기대할 수 있는 다층막 구조의 제조가 가능하다. As described above, according to the present invention, it is possible to manufacture the multi-layer film structure that can be expected to effect a high degree of spin injection only by modification of the equipment group that is operating without requiring the production of additional equipment. 또한, 본 발명에 의한 다층막 구조는 반도체로의 높은 스핀주입효율을 갖는 바 스핀전자소자, 예컨대 스핀 장 효과 트랜지스터 (spin field effect transistor), 스핀 주입기 (spin injector), 스핀 필터 (spin filter), 고경도 자성 소자 (high hardness magnetic device) 등의 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. In addition, the multi-film structure according to the present invention comprises a bar spin electronic device that has a high spin injection efficiency of a semiconductor, for example, Chapter spin-effect transistor (spin field effect transistor), the spin injector (spin injector), the spin filter (spin filter), high hardness It may also be useful in the field of the magnetic element (high hardness magnetic device).

비록 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예에 관하여 설명되어 졌으나. Although the invention has been described with reference to a preferred embodiment jyeoteuna mentioned above. 발명의 요지와 범위를 벗어남이 없이 많은 다른 가능한 수정과 변형이 이루어질 수 있다. The spirit and scope of the invention may be made of many other possible modifications and variations without departing from. 따라서 첨부된 청구범위는 발명의 진정한 범위 내에 속하는 이러한 수정과 변형을 포함할 것이라 생각된다. Therefore, the appended claims is thought that include such modifications and variations as fall within the true scope of the invention.

Claims (14)

  1. 반도체층; Semiconductor layer;
    상기 반도체층 위에 형성된 전도성 질화물로 이루어진 사이층; Between a conductive layer made of a nitride formed on the semiconductor layer; And
    상기 전도성 질화물 사이층 위에 형성되며, 상기 전도성 질화물 사이층을 통해 상기 반도체층에 스핀을 주입하는, 강자성 재료로 이루어진 스핀주입 전극층;을 포함하여 이루어지며, The conductive layer is formed over the nitride between the spin injection electrode layer made of a ferromagnetic material for injecting spin the semiconductor layer through the conductive nitride layer between; made, including,
    상기 전도성 질화물 사이층에 전이금속이 1∼10 at%의 양으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조. Multi-layer film structure having a high spin injection efficiency characterized in that the transition metal between the conductive nitride layer is doped in an amount of 1~10 at%.
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  3. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 전도성 질화물은 TiN, TaN, NbN 및 ZrN으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조. The conductive nitride has a multilayer film structure having a high spin injection efficiency, characterized in that at least one selected from the group consisting of TiN, TaN, NbN and ZrN.
  4. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 전이금속은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조. The transition metals are multi-layer film structure having a high spin injection efficiency, characterized in that at least one selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu.
  5. 삭제 delete
  6. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 강자성 재료는 Fe 및 그 합금, CoFe, CrO 2 , 이중 페로브스카이트(double perovskite)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조. It said ferromagnetic material is a multilayer film structure having a high spin injection efficiency, characterized in that at least one selected from the group consisting of Fe and alloys, CoFe, CrO 2, double perovskite (double perovskite).
  7. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 반도체층과 상기 전도성 질화물 사이층의 계면은 옴 접합 (ohmic contact)을 이루는 것을 특징으로 하는 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조. Multi-layer film structure having a high spin injection efficiency, characterized in that forming the junction (ohmic contact) the interface between the semiconductor layer and the conductive nitride layer is ohmic.
  8. 제 1 항에 있어서, According to claim 1,
    상기 다층막 구조는 스핀 FET (spin field effect transistor), 스핀 주입기 (spin injector), 스핀 필터 (spin filter) 또는 고경도 자성 소자 (high hardness magnetic device)를 구성하는 것을 특징으로 하는 높은 스핀주입 효율을 갖는 다층막 구조. The multi-film structure having a high spin injection efficiency characterized in that the configuration of a spin FET (spin field effect transistor), the spin injector (spin injector), the spin filter (spin filter) or high hardness magnetic element (high hardness magnetic device) multilayer structure.
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