KR101009726B1 - Spin transistor with enhanced spin injection efficiency - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강자성체로부터 반도체로의 스핀 주입 효율이 높은 스핀 트랜지스터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 스핀 트랜지스터는, 내부에 채널층이 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 채널층으로 스핀분극된 전자를 주입하는 강자성체 소스; 상기 소스로부터 이격되어 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 채널층을 통과하는 전자의 스핀을 검출하기 위한 강자성체 드레인; 상기 소스와 드레인 사이에서 상기 반도체 기판 위에 형성되어 게이트 전압이 인가되는 게이트 전극; 및 상기 강자성체 소스/드레인과 상기 반도체 기판 사이에 형성된 <100> 방향의 결정성을 갖는 MgO 터널링막 또는 유기터널링막;을 포함한다. The present invention relates to a spin transistor having a high spin injection efficiency from a ferromagnetic material to a semiconductor. A spin transistor according to the present invention includes a semiconductor substrate having a channel layer formed therein; A ferromagnetic source formed on the semiconductor substrate and injecting electrons spin-polarized into the channel layer; A ferromagnetic drain spaced from the source and formed on the semiconductor substrate for detecting spin of electrons passing through the channel layer; A gate electrode formed on the semiconductor substrate between the source and the drain to apply a gate voltage; And an MgO tunneling film or an organic tunneling film having crystallinity in a <100> direction formed between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor substrate.
스핀 트랜지스터 Spin transistor
Description
본 발명은 스핀 트랜지스터(spin transistor)에 관한 것으로서, 특히 강자성체로부터 반도체로의 스핀 주입 효율이 높은 스핀 트랜지스터에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to spin transistors, and more particularly to spin transistors having high spin injection efficiency from ferromagnetic material to semiconductors.
전자는 2가지 물리적 특성, 즉 음의 전기를 띠는 전하(charge)와 자기적 특성의 근원이 되는 스핀(spin)을 동시에 갖고 있다. 현재 대부분의 반도체 전자 소자는 이러한 2가지 특성중 전하만을 제어하여 원하는 소자 특성을 얻고 있다. 그러나, 이러한 기존의 반도체 전자 소자 기술은 거의 포화 상태에 이며, 향후 수십년 이내에 반도체 소자의 크기가 실리콘 격자상수에 이르러 사실상 더 향상된 성능을 갖는 소자 제작이 거의 불가능할 것으로 예상된다. 따라서, 새로운 개념의 차세대 전자소자의 개발이 시급히 요구되고 있다. The electrons have two physical properties, a negative charge and a spin that is the source of the magnetic properties. Currently, most semiconductor electronic devices obtain desired device characteristics by controlling only charge of these two characteristics. However, such conventional semiconductor electronic device technology is almost saturated, and it is expected that within the next few decades, the size of semiconductor devices will reach the silicon lattice constant, making it almost impossible to manufacture devices with substantially improved performance. Therefore, there is an urgent need for the development of new-generation next-generation electronic devices.
이러한 요구에 부응하여, 스핀에 의존하는 전자이동(spin-dependent electron transport)을 실현하려는 노력의 결과로 전자의 전하와 함께 스핀의 자유도를 고려하여 전자 소자를 개발하려는 새로운 패러다임인 스핀트로닉스(spintronics) 기술이 근래에 과학기술계에 큰 관심을 끌고 있다. 기존의 전자소자와 비교하여, 스핀 전자 소자는 고유 특성인 비휘발성(non-volatility)와 함께 초고속 및 초저전력 특성을 갖고 있기 때문에, 향후 나노기술의 발전과 함께 차세대 전자소자의 성장을 주도할 것으로 전망되고 있다. In response to these demands, spintronics, a new paradigm for developing electronic devices in consideration of spin freedom with the charge of electrons as a result of efforts to realize spin-dependent electron transport. In recent years, technology has attracted great attention in the scientific and technological world. Compared with the existing electronic devices, spin electronic devices have super fast and ultra low power characteristics along with non-volatility, which is inherent, and will lead the growth of next-generation electronic devices with the development of nanotechnology. It is expected.
스핀트로닉스 연구분야의 가장 큰 관심들중 하나는, 전자와 스핀의 자유도를 동시에 고려하여 메모리 및 논리용 트랜지스터를 구현하는 데에 있다. 2개의 자성체 사이에 반도체를 연결하여 스핀분극된 전자를 반도체 채널에 주입하고, 이 스핀분극된 전자가 반도체 채널을 이동하는 동안 게이트 전압을 인가하여 스핀의 방향을 제어함으로써 저항의 변화를 기대할 수 있는 스핀 전계효과 트랜지스터(spin field effect transistor: spin FET, '스핀 트랜지스터'라고도 함)의 실현여부에 관심이 집중되어 있다. 스핀 트랜지스터의 개념은 1990년 처음 발표된 이래("Electronic analog of the electro-optic modulator", Applied Physics letter, vol. 56, 665, 1990 참조), 많은 연구가 진행되어 왔다. One of the biggest concerns in spintronics research is to implement transistors for memory and logic, taking into account electron and spin degrees of freedom. It is possible to expect a change in resistance by connecting a semiconductor between two magnetic bodies and injecting spin-polarized electrons into a semiconductor channel, and controlling the direction of spin by applying a gate voltage while the spin-polarized electron moves through the semiconductor channel. Attention is focused on the realization of spin field effect transistors (also known as spin FETs). The concept of spin transistors has been studied since its publication in 1990 (see "Electronic analog of the electro-optic modulator", Applied Physics letter, vol. 56, 665, 1990).
그러나, 스핀분극된 전자의 주입(injection)과 검출(detection)에 사용되는 자성 금속과 반도체 간의 고유한 전기전도도 차이로 인해 1%이내의 매우 낮은 스핀주입효율만이 얻어졌고, 이로 인해 많은 연구에도 불구하고 실용적인 성능을 갖는 스핀 트랜지스터의 실현이 거의 불가능한 것으로 여겨졌다. 반도체 대신 자성 금속과 전도도가 유사한 상자성 금속으로의 스핀 주입에 관한 연구가 진행되어 왔으며, 상자성 금속으로의 스핀 주입은 상자성 금속 내부에 스핀 업과 스핀 다운 전자의 불균형에서 야기되는 스핀 축적(spin accumulation) 등과 같은 흥미로운 현상을 일으키는 것으로 보고되었다. 최근에는 InAs 2-DEG, GaAs 또는 Si 등 반도체 채널에 성공적으로 스핀을 주입한 사례가 보고됨으로 인해서 다시 스핀 트랜지스터 개발에 대한 관심이 높아지고 있으나, 여전히 낮은 스핀 주입율을 보이고 있다. 유용한 스핀 트랜지스터를 구현하기 위해서는 스핀주입율 향상, 스핀의 게이트 제어와 같은 메카니즘이 완벽하게 작동되어야 하는데, 그 중에서 강자성체로부터 반도체 채널로의 스핀주입율 향상이 특히 요구된다. However, due to the inherent difference in electrical conductivity between the magnetic metal and the semiconductor used for the injection and detection of spin-polarized electrons, only very low spin injection efficiency of less than 1% was obtained, which has led to many studies. Nevertheless, it was considered almost impossible to realize a spin transistor with practical performance. Research into spin injection into a paramagnetic metal having similar conductivity to that of a magnetic metal instead of a semiconductor has been conducted. Spin injection into a paramagnetic metal is caused by spin accumulation caused by an imbalance between spin up and spin down electrons in the paramagnetic metal. It has been reported to cause the same interesting phenomenon. Recently, there have been reports of successful spin injection into semiconductor channels such as InAs 2-DEG, GaAs, or Si, but interest in spin transistor development has been raised, but still shows low spin injection rates. In order to implement useful spin transistors, mechanisms such as spin injection rate improvement and gate control of spin must be fully operated. Among them, improvement of spin injection rate from ferromagnetic material to a semiconductor channel is particularly required.
본 발명의 일 과제는, 강자성체로부터 반도체 채널로의 스핀 주입 효율이 높은 고성능 스핀 트랜지스터를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a high performance spin transistor having high spin injection efficiency from a ferromagnetic material to a semiconductor channel.
본 발명의 일 측면에 따른 스핀 트랜지스터는, 스핀 분극된 전자가 통과하는 채널층이 내부에 형성된 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 채널층으로 스핀분극된 전자를 주입하는 강자성체 소스; 상기 소스로부터 이격되어 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 채널층을 통과하는 전자의 스핀을 검출하기 위한 강자성체 드레인; 상기 소스와 드레인 사이에서 상기 반도체 기판 위에 형성되어 게이트 전압이 인가되는 게이트 전극; 및 상기 강자성체 소스/드레인과 상기 반도체 기판 사이에 형성된 <100> 방향의 결정성을 갖는 MgO 터널링막 또는 유기터널링막;을 포함한다. A spin transistor according to an aspect of the present invention includes a semiconductor substrate having a channel layer through which spin-polarized electrons pass; A ferromagnetic source formed on the semiconductor substrate and injecting electrons spin-polarized into the channel layer; A ferromagnetic drain spaced from the source and formed on the semiconductor substrate for detecting spin of electrons passing through the channel layer; A gate electrode formed on the semiconductor substrate between the source and the drain to apply a gate voltage; And an MgO tunneling film or an organic tunneling film having crystallinity in a <100> direction formed between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor substrate.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 강자성체 소스/드레인과 상기 반도체 사이에 <100> 방향의 결정성을 갖는 MgO 터널링막이 배치되고, 상기 MgO 터널링막의 <100> 방향의 격자 상수는, 상기 MgO 터널링막과 인접한 반도체 물질 간의 격자정합에 의해 <100> 방향의 평형 격자 상수값을 벗어나도록 조절될 수 있다. 이로써, 결맞음 터널링(coherent tunneling) 효과를 증대하여 스핀 주입율을 높일 수 있다. 상기 MgO 터널링막의 <100> 방향의 격자 상수는, 상기 MgO 터널링막과 인접한 강자성체 물질간의 격자정합에 의해 <100> 방향의 평형 격자 상수값을 벗어나도록 조절될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, an MgO tunneling film having crystallinity in the <100> direction is disposed between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor, and a lattice constant in the <100> direction of the MgO tunneling film is the MgO tunneling film. And the lattice matching between the adjacent semiconductor material and the semiconductor material may be adjusted to deviate from the equilibrium lattice constant value in the <100> direction. As a result, the coherent tunneling effect can be increased to increase the spin injection rate. The lattice constant in the <100> direction of the MgO tunneling film may be adjusted to be out of the equilibrium lattice constant value in the <100> direction by lattice matching between the MgO tunneling film and the ferromagnetic material adjacent thereto.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 게이트 전압을 통해 스핀 궤도 결합(spin-orbit coupling)에 의해 발생하는 유효자기장을 조절함으로써 상기 드레인에 도착한 스핀 전자의 자화방향에 따라 상기 스핀 트랜지스터의 채널 저항이 제어될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the channel resistance of the spin transistor is controlled in accordance with the magnetization direction of the spin electrons arriving at the drain by adjusting an effective magnetic field generated by spin-orbit coupling through the gate voltage. Can be.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 소스 및 드레인은 Fe, Co, Ni, FeCo, NiFe, CoFeB, Gd, Tb, Dy, CrO2, GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성될 수 있다. 상기 소스 및 드레인은 강자성 박막과 비자성 박막을 교대로 반복 적층한 구조를 갖고, 상기 채널층 상면에 수직인 방향으로 자화된 자성체일 수 있다.According to an embodiment of the invention, the source and drain are selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, FeCo, NiFe, CoFeB, Gd, Tb, Dy, CrO 2 , GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN and combinations thereof It can be formed of a material. The source and drain may have a structure in which ferromagnetic thin films and nonmagnetic thin films are alternately repeatedly stacked, and may be magnetic materials magnetized in a direction perpendicular to an upper surface of the channel layer.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 채널층은 Si, Ge, GaAs, InAs, InSb 및 이들이 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 반도체 재료로 형성될 수 있다. 또한 상기 채널층은 SOI(Si on insulator) 구조 내의 반도체로 형성되거나 또는 2차원 전자가스층(two dimmensional electron gas layer or structure)으로 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the channel layer may be formed of a semiconductor material selected from the group consisting of Si, Ge, GaAs, InAs, InSb, and combinations thereof. In addition, the channel layer may be formed of a semiconductor in a Si on insulator (SOI) structure or a two-dimensional electron gas layer or structure.
상기 유기터널링막은 Alq3 및 펜타센(pentacene) 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있다. 이 유기터널링막은 상기 강자성체 소스/드레인과 상기 반도체 기판 사이에 배치되어 터널링을 통한 스핀 주입이 일어날 수 있다. The organic tunneling layer may be formed of a material selected from Alq 3 and pentacene. The organic tunneling layer may be disposed between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor substrate to perform spin injection through tunneling.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 강자성체 소스/드레인과 상기 반도체 사이에는 <100> 방향의 결정성을 갖는 MgO 터널링막과 유기터널링막이 모두 배치될 수 있으며, 이 경우, 상기 터널링막들은 유기터널링막, MgO 터널링막의 순서(유기터널리막보다 MgO 터널링막이 강자성체에 더 가까움)로 적층되거나 MgO 터널링막, 유기터널링막의 순서(MgO 터널링막보다 유기터널링막이 강자성체에 더 가까움)로 적층될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, both the MgO tunneling film and the organic tunneling film having crystallinity in the <100> direction may be disposed between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor. In this case, the tunneling films may be an organic tunneling film. The MgO tunneling film may be stacked in the order of the MgO tunneling film closer to the ferromagnetic material than the organic tunneling film, or the MgO tunneling film and the organic tunneling film in the order of the organic tunneling film closer to the ferromagnetic material than the MgO tunneling film.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 강자성체 소스/드레인과 상기 반도체 사이에 <100> 방향의 결정성을 갖는 MgO 터널링막이 배치되고, 상기 소스 및 드레인과 상기 MgO 터널링막 사이에, B(붕소) 중간층이 형성될 수 있다. 상기 소스 및 드레인과 반도체 간의 접촉면적을 크게 하고, 스핀 주입을 보다 용이하게 하기 위해, 상기 소스 및 드레인의 하부는 상기 반도체 기판 상면 아래로 매립될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an MgO tunneling film having a crystallinity in a <100> direction is disposed between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor, and a B (boron) intermediate layer between the source and drain and the MgO tunneling film. This can be formed. In order to increase the contact area between the source and drain and the semiconductor and to facilitate spin injection, a lower portion of the source and drain may be buried below the upper surface of the semiconductor substrate.
본 발명에 따르면, 스핀 전계효과 트랜지스터의 소스 및 드레인 영역 하부에 강자성체/<100> MgO 터널링막/반도체의 적층 구조를 사용함으로써, 강자성체로부터 반도체 채널로의 스핀 주입 효율을 증대시킬 수 있다. 특히, MgO 터널링막/반도체 또는 강자성체/MgO 터널링막의 격자정합에 의해 MgO 터널링막의 격자상수를 제어함으로써, MgO 터널링막의 결맞음 터널링(coherent tunneling) 효과를 배가시켜, 종래의 반도체/자성체의 사트키 컨택(Schottky contact)에서 관찰되어 온 스핀 주입율에 비하여 개선된 스핀 주입율을 얻을 수 있다. 또한, MgO 터널링막/반도체 위에 소스 및 드레인을 위한 강자성체를 증착하기 전에 B 중간층을 도입함으로써 강자성체층의 결정 성장을 조장하고 MgO 터널링막으로부터 인접층으로의 산소 원자의 확산을 방지할 수 있다. 또한, <100> MgO 터널링막 대신에 또는 MgO 터널링막과 함께 유기터널링막을 사용함으로써 강자성체로부터 반도체 채널로의 스핀 주입 효율을 높일 수 있다.According to the present invention, the spin injection efficiency from the ferromagnetic material to the semiconductor channel can be increased by using a stack structure of ferromagnetic material / MgO tunneling film / semiconductor under the source and drain regions of the spin field effect transistor. In particular, by controlling the lattice constant of the MgO tunneling film by lattice matching of the MgO tunneling film / semiconductor or the ferromagnetic material / MgO tunneling film, the coherent tunneling effect of the MgO tunneling film is doubled, so that the conventional semiconductor / magnetic material is used for the Satkey contact ( Compared to the spin injection rate observed in the schottky contact, an improved spin injection rate can be obtained. In addition, by introducing a B intermediate layer before depositing ferromagnetic materials for the source and drain on the MgO tunneling film / semiconductor, it is possible to promote crystal growth of the ferromagnetic layer and to prevent diffusion of oxygen atoms from the MgO tunneling film to the adjacent layer. In addition, by using an organic tunneling film instead of the MgO tunneling film or together with the MgO tunneling film, the spin injection efficiency from the ferromagnetic material to the semiconductor channel can be improved.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 스핀 트랜지스터를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 스핀 트랜지스터(10)는 반도체 채널층(7)을 갖는 반도체 기판(12)과, 그 위에 서로 이격 배치된 강자성체 소스(11) 및 강자성체 드레인(13)을 포함한다. 소자 동작 중, 스핀 분극된 전자는 반도체 채널층(7)을 통해 이동한다. 소스(11)와 드레인(13) 사이에는 반도체 기판(12) 상에 게이트 전극(14)이 배치되어 있다. 게이트 전극(14)은 SiO2등 게이트 절연막(15)에 의해 반도체 기판(12)로부터 절연되어 있다. 1 is a cross-sectional view showing a spin transistor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the
스핀 트랜지스터(10)의 기본적인 동작은, 예를 들어 아래와 같이 설명될 수 있다. 강자성체 소스(11)로부터 소스(11)의 자화방향(예컨대, x축 방향)과 평행한 스핀 전자가 반도체 채널층(7)에 주입되어 반도체 채널을 통해 이동한다. 이 때 게이트 전극(14)에 게이트 전압(Vg)을 인가하여 z축 방향의 포텐셜을 변화시키면 이에 따라 스핀 궤도 결합(spin-orbit interaction)으로 인해 y축 방향으로의 유효 자기장의 크기가 변화하고 결국 이 유효 자기장에 의해 채널층(7)을 통해 이동하는 전자의 스핀의 방향을 제어할 수 있다. 이와 같은 방법으로 반도체 내부에 이동하는 전자의 스핀 방향을 제어하고 결국 강자성체 드레인(13)에 도착하는 스핀 전자의 방향이 드레인(13)의 자화방향(예컨대, x축 방향)과 평행하면 낮은 저항상태(on-state)을, 반평행하면 높은 저항상태 (off-state)를 갖는 스핀트랜지스터를 구현할 수 있다. 그러나, 본 발명이 상술한 트랜지스터 동작에 의해 한정되는 것은 아니며, 예컨대, 스위칭 온/오프를 위해 드레인의 자화방향을 시프트할 수 있고, 스핀 전자의 프리세션이 생기지 않도록 소스/드레인(11/13)의 자화방향을 유효자기장 방향 (y축 방향)으로 설정할 수도 있다. 소스/드레인(11/13)은 반도체 기판(12)의 상면에 수직인 자화방향을 갖는 (수직자화된) 자성체일 수도 있다.The basic operation of the
본 실시형태의 스핀 트랜지스터(10)를 완성하기 위해 중요한 기술은 자성체 소스(11)로부터 스핀 전자를 반도체에 주입시키는 것에 관한 것으로서, 계면 특성에 따라 스핀 주입특성의 변화가 매우 크다. 본 실시형태에서는 소스(11)와 드레인(13)을 이루는 강자성체와 채널을 갖는 반도체(12) 계면사이에 [100](보다 넓게는 <100>) 결정방향성을 갖는 MgO박막을 도입하여 MgO 터널링막(23)을 형성한다. 이로써, 강자성체로부터 반도체로의 스핀 전자 주입시 MgO 터널링막(23)을 통한 결맞음 터널링(coherent tunneling)에 의해 스핀 주입 효율을 높인다. 바람직하게는, MgO 터널링막(23)은 0.5 ~ 5nm의 두께를 갖는다. 후술하는 바와 같이, MgO 터널링막(23) 대신에 또는 MgO 터널링막과 함께 Alq3 및 펜타센(pentacene) 등의 유기터널링막을 사용할 수도 있다.(도 8 및 9 참조)An important technique for completing the
또한, MgO 터널링막(23)과 인접 반도체층(12) (또는 인접한 소스/드레인의 강자성체 결정)과의 격자정합을 통해 MgO 터널링막(23)의 격자상수를 평형상태에서 벗어나게 함으로써 결맞음 터널링 효과를 최대화하여 강자성체로부터 반도체로의 스핀 주입 효율을 더욱 증대시킬 수 있다.In addition, the lattice constant of the
소스(11) 및 드레인(13)을 형성하는 강자성체는 스핀 분극(spin polarization)이 큰 자성 금속으로서, Fe, Co, Ni, FeCo, NiFe, CoFeB 중에서 선택되거나, GaMnAs, InMnAs, GeMn, GaMnN 등과 같은 자성 반도체 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, CrO2 등과 같이 스핀분극 100%의 반금속(half metal)을 사용할 수도 있다. 또한, Gd, Tb, Dy 와 같은 희토류 금속 또는 그 합금으로 소스(11)와 드레인(13)을 형성할 수도 있다. 그 외에도, 실시형태에 따라서는, 소스(11) 및 드레인(13)은 강자성체 박막과 비자성체 박막을 교대로 반복하여 적층한 구조를 갖는 (그리고, 채널층 상면에 수직인 자화방향을 갖는) 수직자화 자성체일 수도 있다. 이러한 적층형 수직자화 자성체에 있어서, 강자성체 박막은 CoFe, Co, Ni, NiFe 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있고, 비자성체 박막은 Pd, Au, Pt 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. The ferromagnetic material forming the
반도체 채널층(7)은 Si, Ge, GaAs, InAs, InSb 중에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 또한, 상기 채널층(7)은 SOI(Si on insulator) 또는 화합물 반도체의 2차원 전자가스(two dimensional electron gas: 2DEC)층으로 형성할 수도 있다. 본 실시형태에서는, 예를 들어, InAs의 2DEC 반도체 채널층을 이용하여, Fe(소스 및 드레인 강자성체)/MgO(터널링막)/InAs(반도체)의 2DEC 계면 구조를 갖는 스핀 주입 소자를 사용할 수 있다.The
소스(11) 및 드레인(13)은 적용되는 소자의 형태에 따라 5 ~ 1000nm 범위의 선폭을 가질 수 있으며, 서로 선폭이 다르게 형성되어 평면자기 이방성에 의해 스핀 스위칭이 일정 자계범위에서 반평행하도록 할 수 있다. 다른 실시예로서, 소스(11) 및 드레인(13)은 수직자기이방성을 가질 수 있으며 소스(11)와 드레인(13) 사이의 간격은 반도체 채널의 스핀 완화거리 (spin diffusion length)를 감안하여 10nm ~ 10㎛의 범위로 설정할 수 있다. The
상술한 바와 같이, 강자성체(특히, 소스)으로부터 반도체(특히, 채널층)로의 스핀주입을 향상시키기 위해, 강자성체와 반도체 사이에 <100> 방향의 결정성을 갖는 MgO 터널링막(예컨대 0.5 ~ 5nm 범위의 두께로)을 삽입하여 터널링에 의한 스핀 주입을 발생시킨다. 이때 반도체와 강자성체 사이의 격자정합에 의해 인위적으로 MgO 터널링막(23)의 격자상수를 조절할 수 있으며 MgO 터널링막(23)의 격자상수가 평형격자상수인 4.216 Å보다 증가, 또는 감소하여 평형격자상수에서 벗어날 경우 MgO 터널링막(23)를 통한 터널링효율이 더욱 더 증가하여 강자성체로부터 반도체로의 스핀 주입 효율을 보다 증가시킬 수 있다. As described above, in order to improve spin injection from a ferromagnetic material (especially a source) to a semiconductor (especially a channel layer), an MgO tunneling film having a crystallinity in the <100> direction between the ferromagnetic material and the semiconductor (for example, in a range of 0.5 to 5 nm). Spin injection by tunneling). At this time, the lattice constant of the
상기 스핀트랜지스터(10)에 있어서, 반도체(12)와 강자성체(11, 13) 간의 접촉면을 크게하고 스핀 주입을 보다 용이하게 하기 위하여 반도체 표면을 10 ~ 500 nm 범위의 깊이로 식각한 다음, 소스 영역과 드레인 영역을 형성하여, 소스(11) 및 드레인(13)의 하부가 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 기판(12)의 상면 아래로 매립된 상태가 되도록 한다. 이에 따라, 소스 및 드레인(11, 13)이 위치한 부위에서 반도체 기판(12)의 상부는 아래로 리세스된 상태가 된다. 또한, MgO 터널링막(23) 위에 강자성체(11, 13)를 증착하기 전에 표면 평탄화와 강자성체의 결정화를 촉진시키기 위해 B(붕소) 중간층(도 4의 도면부호 24 참조)을 0.5 ~ 10Å 이내의 두께로 증착할 수 있다.In the
도 2는 강자성체/MgO 터널링막/반도체의 적층구조에 있어서, 반도체와 MgO 터널링 막의 격자 정합에 의한 MgO 터널링막의 격자 상수의 제어를 설명하기 위한 모식도이다. MgO 터널링막과 격자 정합을 이루는 반도체로는, 예를 들어 InAs이 사용될 수 있다. Fig. 2 is a schematic diagram for explaining the control of the lattice constant of the MgO tunneling film by lattice matching between the semiconductor and the MgO tunneling film in the lamination structure of the ferromagnetic material / MgO tunneling film / semiconductor. For example, InAs may be used as a semiconductor in lattice matching with the MgO tunneling film.
도 2에 도시된 MgO 및 InAs 격자 구조는 위에서 본 형태(도 1의 z축 방향으로 바라본 형태)로서, MgO의 [100] 방향(보다 넓게는 <100> 방향)은 InAs의 [110] 방향과 일치하는 결정관계를 보인다. 실제의 적층 구조에서는, 도 2에 도시된 InAs 격자구조는 MgO 격자 구조 아래에 배치된다. 이 경우, InAs의 [110] 방향의 격자 상수(4.302Å)는 MgO의 [100] 방향의 평형 격자 상수(4.216Å)보다 약 2% 정도 크므로, MgO 박막은 격자 정합에 의해 인장 응력을 받아 MgO의 [100] 방향의 격자 상수값이 증가하게 된다. The MgO and InAs lattice structures shown in FIG. 2 are viewed from above (as viewed in the z-axis direction of FIG. 1), and the [100] direction (more broadly, the <100> direction) of MgO is the same as the [110] direction of InAs. Show a consistent decision relationship In an actual laminated structure, the InAs lattice structure shown in FIG. 2 is disposed below the MgO lattice structure. In this case, the lattice constant (4.302Å) of InAs in the [110] direction is about 2% larger than the equilibrium lattice constant (4.216O) in the [100] direction of MgO, so the MgO thin film is subjected to tensile stress by lattice matching. The lattice constant in the [100] direction of MgO increases.
InAs 대신에 GaAs 반도체를 사용하는 경우에는, MgO의 [100] 방향(평형 격자상수 d100 = 4.216Å)과 GaAs의 [110] 방향(평형 격자상수 d110 = 3.996Å)이 평행하도록 각 층을 성장시키고, 이 경우 MgO 박막의 격자 상수가 GaAs에 비하여 약 5.2% 크므로 압축 응력을 받아 격자상수값이 평형값보다 감소하게 된다. If GaAs semiconductors are used instead of InAs, each layer should be placed so that the [100] direction of MgO (equilibrium lattice constant d 100 = 4.216 Å) and the GaAs [110] direction (equilibrium lattice constant d 110 = 3.996 Å) are parallel. In this case, since the lattice constant of the MgO thin film is about 5.2% larger than that of GaAs, the lattice constant is reduced from the equilibrium value due to compressive stress.
상술한 바와 같이, 인접 반도체 물질과의 격자 정합을 통해 MgO의 <100> 방향의 격자 상수(이 격자 상수는 MgO 박막의 (100) 면내의 격자 상수에 해당)를 늘리거나 줄일 수 있고, 이에 따라 MgO 결정 방향과 격자상수값에 크게 의존하는 결맞음 터널링 효과를 배가시킴으로써 강자성체로부터 반도체로의 스핀 주입 효율 또는 스핀 주입 분극율을 현저히 향상시킬 수 있다. As described above, the lattice constant in the <100> direction of MgO can be increased or decreased through lattice matching with adjacent semiconductor materials, and thus the lattice constant in the (100) plane of the MgO thin film. By doubling the coherent tunneling effect, which is highly dependent on the MgO crystal direction and lattice constant value, the spin injection efficiency or spin injection polarization rate from the ferromagnetic material to the semiconductor can be significantly improved.
본 발명자들은, 반도체와 격자 정합을 이루는 <100> 결정 방향의 MgO 터널링막 - <100> 방향이 MgO 터널링막의 (상)면내 방향임 - 에 의한 전자 스핀 주입 효율의 개선을 검증하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같은 스핀 주입 소자를 제작하여, 여러가지 전기적, 자기적 특성을 측정하였다(도 5 내지 7 참조). In order to verify the improvement of the electron spin injection efficiency by the MgO tunneling film in the <100> crystal direction forming the lattice match with the semiconductor, where the <100> direction is the (top) in-plane direction of the MgO tunneling film, FIG. Spin injection devices as shown in the drawings were fabricated, and various electrical and magnetic properties were measured (see FIGS. 5 to 7).
도 3은 MgO 터널링막을 강자성체와 반도체의 사이에 삽입하여 제작된, 본 발명의 실시예에 따른 스핀 트랜지스터용 스핀 주입 소자의 평면도를 나타내는 SEM(주사전자현미경) 사진이다. 스핀 주입 효율의 개선 가능성만을 조사하기 위해, 도 1의 스핀 트랜지스터 중 게이트 전극과 게이트 절연막(14, 15)의 형성은 생략하고, 소스, 드레인, 채널을 갖는 반도체 기판을 구비한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 스핀 주입 소자를 제작하였다.3 is a SEM (scanning electron microscope) photograph showing a plan view of a spin injection device for a spin transistor according to an embodiment of the present invention, prepared by inserting an MgO tunneling film between a ferromagnetic material and a semiconductor. In order to investigate only the possibility of improving the spin injection efficiency, the formation of the gate electrode and
도 3의 SEM 사진에서 세로로 연장된 부분(31, 32)은 광식각 공정에 의해 형성된 InAs 기반의 2차원 전자가스(2DEC)층을 구비한 반도체 메사 구조로서 스핀 전자의 전송 채널(채널층)에 해당한다. 채널층(31, 32) 위에 서로 다른 폭을 갖는 강자성체 Fe박막의 소스(11)와 드레인(13)이 형성되어 있다. 소스(11)의 양단과 드레인(13)의 양단에는 예컨대, Ti/Au로 된 전기 접속 패드(35, 36; 37, 38)가 설치되어 있다. 이러한 메사 구조의 채널층(31, 32) 폭은 예컨대 8㎛ 정도이고, 소스와 드레인 사이의 간격(채널 길이)는 약 2.4㎛정도일 수 있다. 소스(11)와 드레인(13)의 형상(특히, 폭)을 달리함으로써 Fe 박막의 형상자기 이방성(magnetic shape anisotropy)을 이용하여 두 자성체(소스와 드레인)의 보자력을 다르게 할 수 있다. The vertically extending
도 4(a)는 도 3의 스핀 트랜지스터용 스핀 주입 소자의 일부 단면을 나타낸 모식도이고, 도 4(b)는 그 단면의 적층구조를 보여주는 TEM(투과전자현미경) 사진이다. 도 4(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 계면저항을 줄이도록 InAs 양자우물 구조의 채널층(7) 바로 위의 InAlAs층(22)을 채널층(7) 직상 5 ~ 10nm까지 에칭한 후, 약 2nm 두께의 [100] MgO 터널링막(23)과 약 1nm 두께의 B(붕소) 중간층(24)을 형성하고, 그 위에 약 16 nm두께의 Fe 강자성체 소스 및 드레인(11, 13)을 형성하 여 소자를 제작한다. InAlAs층(22)은 InAs 양자우물 구조의 채널층(7)을 형성하기 위해 InAs의 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 갖는 반도체이다. 도 4(b)의 TEM 사진은, 스핀 소자의 InAlAs(22), [100] MgO 터널링막(23), B 중간층(24) 및 Fe 강자성체층(11 또는 13)의 적층 구조를 보여주고 있다. 여기서, B 중간층(24)은 MgO 결정(23) 위에 위치하는 Fe 강자성체(11, 13)의 결정화를 도와주고 MgO(23)로부터 인접층으로 산소의 확산을 방지하는 확산 방지막의 역할을 한다.FIG. 4 (a) is a schematic view showing a partial cross section of the spin injection device for spin transistor of FIG. 3, and FIG. 4 (b) is a TEM (transmission electron microscope) photograph showing the stacked structure of the cross section. As shown in FIGS. 4A and 4B, the
도 5는 강자성체 소스/드레인과 반도체 사이에 도입된 MgO 터널링막의 특성을 평가하기 위해 도 3의 스핀 주입 소자에 대해 측정한 전류(J: 보다 정확하게는 전류 밀도)-전압(V)특성을 나타내는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전압에 따라 전류가 완만하게 증가하는 특성을 보이며, 이러한 특성은 샤트키(Schottky)와 오믹(Ohmic)의 중간 영역에 해당한다. 이 전류(J)-전압(V) 특성은 MgO 터널링막(23)의 두께에 따라 큰 변화를 보이지 않는 반면에, InAlAs의 에칭 깊이에는 상당히 의존하는 경향을 보인다.FIG. 5 is a graph showing the current (J: more precise current density) -voltage (V) characteristics measured for the spin injection device of FIG. 3 to evaluate the characteristics of the MgO tunneling film introduced between the ferromagnetic source / drain and the semiconductor. to be. As shown in FIG. 5, the current gradually increases with the voltage, and this characteristic corresponds to the middle region between Schottky and Ohmic. This current (J) -voltage (V) characteristic does not show a great change depending on the thickness of the
도 6은 도 3의 스핀 주입 소자에 있어서 강자성체(11, 13)와 반도체 채널층(7) 간의 스핀 주입 배리어 폭에 따른 계면 저항의 크기를 나타내는 그래프이다. 이 스핀 주입 배리어 폭(barrier width)은 도 4에서 설명한 InAlAs층(22)의 에칭 깊이에 따라 다른데, 에칭 깊이가 클수록 배리어 폭은 작다. 도 6에서 가로축은 상술한 배리어 폭을 나타내고 세로축은 계면저항(R)×계면적(A)을 나타낸다. 에칭 깊 이가 약 25nm로서, InAlAs를 모두 제거하여 InAs 채널층(7)과 MgO 터널링막(23)이 직접 접촉하는 경우에, 가로축의 배리어 폭이 0이 된다. 여러가지 에칭 깊이에서(즉, 다양한 배리어 폭에서) 실험한 결과, 채널층(7) 직상의 InAlAs(22) 두께(배리어 폭)가 7nm까지는 R×A값이 약 102 Ωㆍ㎛2 이하의 매우 낮은 값을 보이나, 그 이상의 두께에서는 R×A값이 지수함수적으로 증가하여 두께 30nm 이상에서는 106 Ωㆍ㎛2 이상의 매우 높은 R×A값을 갖게 된다. 따라서, 채널층(7) 직상의 InAlAs(22)의 두께가 약 7nm 이내일 경우, MgO 결맞음 터널링을 통한 스핀 주입에 유리한 낮은 R×A값을 나타낸다.6 is a graph showing the magnitude of the interface resistance according to the spin injection barrier width between the
도 7은 도 3의 스핀 주입 소자에 대한 논로컬 측정 결과를 나타내는 그래프로서, MgO 터널링막(23)을 통해 성공적으로 반도체로 스핀이 주입되는 것을 보여준다. 이 논로컬 측정에서는, 20K의 온도에서 1mA의 전류를 도 3의 소스 접속 패드(소스 터미널)(36)에서 반도체 채널층의 일단(반도체 터미널)(31)으로 인가하면서 드레인 접속 패드(드레인 터미널)(38)와 반도체 채널층의 타단(반도체 터미널)(32) 사이의 전압을 측정하였다. 소스 접속 패드(36)과 반도체 터미널(31) 사이의 전류는 차지(charge) 전류와 스핀 전류의 합이며, 반대쪽 반도체 터미널(32)로는 순수 스핀 전류만이 형성되어, 그에 따른 포텐셜 변화가 반도체 터미널(32)과 드레인 터미널(38) 간의 단자 전압의 변화로 나타난다. 이 때, 외부에서 인위적으로 자계를 인가해주되, 자계를 증가시키면서(스윕 업: sweep-up) 전압을 측정하기도 하고, 또 자계를 감소시키면서(스윕 다운: sweep-down) 전압을 측정하기도 하였다. 순수한 스핀 전류를 측정하기 위해 인가 전류가 흘러가는 경로 밖에 전압 단자를 설치하여 순수한 스핀 전류만을 측정하는 이러한 측정 방법을 논로컬 측정법(non-local measurement)이라 한다.FIG. 7 is a graph illustrating a non-local measurement result of the spin injection device of FIG. 3, showing that spin is successfully injected into the semiconductor through the
도 7의 그래프는, 소스와 드레인의 길이 방향으로 평면 자계를 인가하면서 측정한 전압 변화(반도체 터미널(32)과 드레인 터미널(38)간 전압의 변화)를 인가 전류로 나누어 스핀 저항값의 변화로 나타낸 것이다. 보다 구체적으로는, 도 7의 그래프의 가로축은 인가 자계(강자성체 소스 및 드레인과 평행 또는 반평행한 방향)를 나타내고, 세로축의 ΔR은 기본 저항값(Rbase ~ -14 mΩ: 소스와 드레인의 자화방향이 평행일 때의 스핀 저항값)에서 각 인가자계에서의 스핀 저항값(R)을 뺀 값을 나타낸다. The graph of FIG. 7 shows the change in spin resistance by dividing the voltage change (change in voltage between the
도 3과 도 7을 참조하면, 소스(11)와 드레인(13)의 자화방향이 평행할 때는 0에 가까운 매우 작은 기본저항(Rbase)을 보인다. 이론적으로는, 소스(11)와 드레인(13)의 평행구간에서는 차지 전류가 흐르지 않으므로 저항이 0이 되어야 하나, 계면 저항의 영향으로 0이 아닌 기본저항값(Rbase)을 나타내는 것이다. 3 and 7, when the magnetization directions of the
스윕 업 또는 스윕 다운으로 인가자계를 변화시킴에 따라 소스(11)에 비하여 보자력이 더 작은 드레인(13)(참고로, 소스와 드레인의 선폭을 달리함으로써 형상자기 이방성에 의해 보자력을 다르게 할 수 있음)의 자화반전이 발생하여 소스(11)와 드레인(13)은 일정한 자계범위에서 반평행한(antiparallel) 상태가 된다. 이러한 반평행 구간에서, 반도체로 주입된 스핀의 축적이 일어나서 스핀 저항이 대폭적으로 변하여 뚜렷한 논로컬 스핀 주입 신호를 보인다. 도 7에 나타난 바와 같이, 저항값이 아래로 크게 떨어진 딥(dip) 구간(스핀 저항 변화 구간)이 뚜렷하게 확인되는데, 이 딥 구간은 소스(11)와 드레인의 반평행 구간(자화반전 구간)과 정확히 일치한다. 이것으로, 드레인(13)에 도착한 전자 스핀 방향과 드레인(13)의 자화 방향의 평행 또는 반평행 관계에 따른 명확한 스핀 저항 변화를 확인할 수 있다. 강자성체(소스, 드레인)는 히스테리시스 특성이 있기 때문에, 스윕 업 측정에서의 딥 부분과 스윕 다운 측정에서의 딥 부분이 서로 일치하지 않는다. As the applied magnetic field is changed by sweep up or sweep down, the coercive force of the
도 7에서, 딥 구간에서의 ΔR(= Rbase - Rantiparallel)값은 약 3mΩ으로 나타나는데, 이 값은 기본 저항 대비 약 21% 정도의 매우 높은 저항비를 보여 MgO 터널링막을 통해 스핀 주입 분극율이 상당히 개선되었음을 알 수 있다. 이러한 결과는, <100> 결정방향의 MgO 터널링막을 통한 결맞음 터널링 효과의 증대에 의해, 높은 스핀 주입 분극율이 발생함을 입증하는 것이다.In Fig. 7, the ΔR (= R base -R antiparallel ) value in the deep section is about 3mΩ, which shows a very high resistance ratio of about 21% compared to the basic resistance, and the spin injection polarization rate is increased through the MgO tunneling layer. It can be seen that it is significantly improved. These results demonstrate that high spin injection polarization occurs by increasing the coherence tunneling effect through the MgO tunneling film in the <100> crystal direction.
상술한 실시예에서는 강자성체로부터 반도체 채널로의 스핀 주입 효율 향상 을 위해 강자성체와 반도체 사이에 <100> 결정 방향의 MgO 터널링막을 사용하고 있으나, 이러한 MgO막 대신에 (또는 MgO와 함께) Alq3 및 펜타센(pentacene) 등의 유기터널링막을 사용할 수도 있다. 이러한 예를 도 8 및 9에 도시하였다. In the above-described embodiment, the MgO tunneling film in the <100> crystal direction is used between the ferromagnetic material and the semiconductor to improve spin injection efficiency from the ferromagnetic material to the semiconductor channel. However, Alq 3 and penta instead of the MgO film (or with MgO) are used. Organic tunneling films such as pentacene may also be used. This example is illustrated in FIGS. 8 and 9.
도 8에 도시된 바와 같이, 강자성체 소스/드레인(11 또는 13)과 InAs 반도체 채널층(7) 사이에 MgO 터널링막 대신에 Alq3 및 펜타센(pentacene) 등의 유기터널링막(123)이 배치되어 있다. 이러한 유기터널링막(123)은 비정질이며 스핀 정합 길이(spin coherence leng: 스핀이 업(up) 또는 다운(down)으로 분극된 상태로 스핀완화(spin relaxation)없이 이동할 수 있는 최대 길이)가 결정성 막과는 달리 수 ㎛로 매우 길어 스핀 터널링 효과를 배가시키는 작용을 한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 강자성체(11, 13)/MgO 터널링막(23)/유기터널링막(123)/반도체(22, 7)의 적층 구조를 이용할 수도 있다. 도 9의 실시예의 경우, 유기터널링막(123)은 <100> MgO 터널링막(23)의 결맞음 터널링 현상을 보완하는 의미가 있다. 도 9의 실시예에서, MgO 터널링막(23)과 강자성체(11, 13) 사이에 B 중간층을 추가로 형성할 수 있다. 도 9에서의 적층 순서와 달리, 강자성체(11, 13)/유기터널링막(123)/MgO 터널링막(23)/반도체(22, 7)의 적층 구조를 사용할 수도 있다. As shown in FIG. 8, an
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. It is intended that the invention not be limited by the foregoing embodiments and the accompanying drawings, but rather by the claims appended hereto. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in various forms without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 스핀 트랜지스터를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a spin transistor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 강자성체/MgO 터널링막/반도체의 적층구조에 있어서, 반도체와 MgO 터널링 막의 격자 정합에 의한 MgO 터널링막의 격자 상수의 제어를 설명하기 위한 모식도이다.Fig. 2 is a schematic diagram for explaining the control of the lattice constant of the MgO tunneling film by lattice matching between the semiconductor and the MgO tunneling film in the lamination structure of the ferromagnetic material / MgO tunneling film / semiconductor.
도 3은 MgO 터널링막을 강자성체와 반도체의 사이에 삽입하여 제작된, 본 발명의 실시예에 따른 스핀 트랜지스터용 스핀 주입 소자의 평면도를 나타내는 SEM(주사전자현미경) 사진이다.3 is a SEM (scanning electron microscope) photograph showing a plan view of a spin injection device for a spin transistor according to an embodiment of the present invention, prepared by inserting an MgO tunneling film between a ferromagnetic material and a semiconductor.
도 4(a)는 도 3의 스핀 주입 소자의 일부 단면 모식도이고, 도 4(b)는 그 일부 단면을 나타내는 TEM(투과전자현미경) 사진이다.FIG. 4 (a) is a schematic cross-sectional view of a part of the spin injection device of FIG. 3, and FIG. 4 (b) is a TEM (transmission electron microscope) photograph showing a partial cross section.
도 5는 도 3의 스핀 주입 소자에 대해 측정한 전류-전압 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph illustrating current-voltage characteristics measured for the spin injection device of FIG. 3.
도 6은 도 3의 스핀 주입 소자에 있어서 강자성체와 반도체 채널 간의 스핀 주입 배리어 폭에 따른 계면 저항의 크기를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating the magnitude of the interface resistance according to the spin injection barrier width between the ferromagnetic material and the semiconductor channel in the spin injection device of FIG. 3.
도 7은 도 3의 스핀 주입 소자에 대한 논로컬 측정(non-local measurement) 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating a non-local measurement result of the spin injection device of FIG. 3.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시형태들에 따른 스핀 트랜지스터 구조의 일부를 나타낸 단면도이다.8 and 9 are cross-sectional views illustrating a portion of a spin transistor structure according to other embodiments of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
7: 채널층 10: 스핀 트랜지스터7: channel layer 10: spin transistor
11: 소스 12: 반도체 기판11: source 12: semiconductor substrate
13: 드레인 14: 게이트 전극13: drain 14: gate electrode
15: 게이트 절연막 23: MgO 터널링막15: gate insulating film 23: MgO tunneling film
24: B(붕소) 중간층 31: 채널의 일단24: B (boron) intermediate layer 31: one end of the channel
32: 채널의 타단 35, 36: 소스 접속 패드32: other end of
37, 38: 드레인 접속 패드 123: 유기터널링막37, 38: drain connection pad 123: organic tunneling film
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