KR20020046337A - 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널 접합 자기저항 소자는, 강자성체와 강자성체 사이에 탄소나노튜브가 형성되어 연결되는 점에 그 특징이 있다.

여기서 탄소나노튜브는, 강자성체 사이에 형성됨에 있어 도체성 탄소나노튜브가 수평 성장될 수 있으며, 또한 탄소나노튜브는 강자성체 사이에 형성됨에 있어 도체성 탄소나노튜브가 수직 성장될 수 있다.

또한 복수의 강자성체 중에서, 스핀 방향을 고정시킬 수 있도록, 하나의 강자성체에 반강자성체가 연결되어 형성되며, 반강자성체는 외부에서 인가되는 자기장에 의하여 내부 스핀 방향이 선택된다.

또한, 탄소나노튜브는 열처리(thermal annealing)를 통하여 터널 베리어의 높이가 조절된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 강자성체 사이에 탄소나노튜브를 연결시켜 터널접합 자기저항 소자를 형성하고, 자기저항 효과를 증대시킴으로써 응용 가능성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자{TMR device using a carbon nanotube}

본 발명은 탄소나노튜브(CNT: Carbon NanoTube)를 이용한 소자 응용에 관한 것으로서, 특히 강자성체 사이에 탄소나노튜브를 연결시켜 터널접합 자기저항(TMR: Tunneling Magneto Resistance) 소자를 형성하고, 자기저항 효과를 증대시킴으로써 응용 가능성을 높일 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자에 관한 것이다.

오늘날, 고도 정보화 시대에 점점 그 중요성이 높아지고 있는 하드 디스크는 최근 수년간 60%라고 하는 경이적인 속도로 고밀도화가 진전되고 있다. 이러한 증가는 헤드면에서는 자기저항(MR: Magneto Resistance) 효과형 헤드가 그 큰 요인이 되었지만, 자기저항 헤드도 한계에 도달함으로써 GMR(Giant Magneto Resistance)형 헤드에 대한 연구가 수행되었으며, 실용화되기 시작하였다.

자기 디스크 장치의 시장은 반도체 메모리나 DRAM의 시장 규모보다 우위에 있다. 이러한 큰 시장규모와 계속되는 기록밀도의 증가는 필연적으로 더 사이즈가 작고, 더 큰 자기저항 효과를 가지는 헤드가 필요하게 되었다.

최근, 박막 기술의 발전과 더불어 나노미터 단위의 결정성장 제어가 가능해지고, 자연계에는 존재하지 않는 새로운 물질을 인공적으로 합성하는 시도가 진행되고 있다.

일본 도시바사는 자성체와 금속의 헤테로(hetero) 구조 재료로서, 큰 자기저항 변화율을 가지고, 자기적으로 소프트한 Co-Fe/Cu 거대자기저항 재료를 개발했다. 도 1은 종래의 자기저항 효과를 이용한 하드 디스크 드라이브용 재생자기헤드를 나타낸 도면이다. 이 재료를 이용한 스핀밸브 구조는 현재 하드 디스크 드라이브용 재생자기 헤드로서 실용화 단계에 있다.

한편, 자성체와 절연체의 헤테로 구조 재료인 강자성 터널접합 자기저항( TMR: Tunneling Magneto Resistance) 효과는 GMR보다도 앞서 10년 전에 발견되었으나, 그다지 주목을 받지는 못했다. 그러나, 최근 TMR에 대한 연구 결과, 실온에 있어서 스핀밸브 GMR 보다 우수한 MR 변화율이 얻어진 이후 연구가 활발하게 진행되고 있다. TMR 재료는 GMR 재료보다 우수한 차세대 헤드 재료로써 기대되고 있으며, 출력이 크기 때문에 자기메모리(MRAM) 등 21세기 스핀트로닉스(Spintronics)를 여는 중요한 재료로서 주목받고 있다. 도 2는 일반적인 거대자기저항 및 터널접합 자기저항에 대한 효과의 예를 나타낸 도면이다.

한편, 탄소나노튜브를 이용한 트랜지스터의 응용 가능성은 스탠포드 대학의 Hongjie Dai 그룹이 수평성장을 이용한 합성에 성공함으로써, 그 응용 가능성을 보여 주었으며, 국내에서는 서울대 임지순 교수팀이 미국 버클리대 팀과 공동으로 10나노미터 크기의 탄소나노튜브 트랜지스터를 제작하는데 성공하였다.

현재, 이와 같은 탄소나노튜브를 이용한 스핀트로닉스 소자에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그리고, 10 기가 비트 이상에서 채용되는 GMR형 헤드에 의한 기록밀도의 집적화가 한계에 다다르고 있다. 따라서, GMR 효과를 능가하는 재료에 대한 요구가 더욱 절실해지고 있는 실정이다.

이에 따라, 큰 자기저항 효과를 가지는 소자를 제작하기 위해 페로브스카이트 구조의 망간산화물의 초거대자기저항(CMR: Colossal Magneto Resistance)이나 터널접합 자기저항 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그리고, TMR 소자에 일반적으로 쓰이는 강자성 터널접합은 현재 실용적인 저항값을 가지는 양질의 극박(ultra thin film, 1~2nm) 절연막을 재현성 좋게 제작할 수 있는 기술이 개발되지 않았으며, 온도, 직류 전압의 증가에 따라 MR 변화율이 크게 감소하는 등 본질적으로 바람직하지 않은 특성을 가지고 있다. 이러한 의존성은 강자성층과 절연체층의 계면에서 발생한, 마그논(magnon)이라 불리우는, 스핀 요동의 집단운동(스핀파)에 수반되는 비탄성 산란이 원인이라고 추정되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 강자성체 사이에 탄소나노튜브를 연결시켜 터널접합 자기저항 소자를 형성하고, 자기저항 효과를 증대시킴으로써 응용 가능성을 높일 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 자기저항 효과를 이용한 하드 디스크 드라이브용 재생자기헤드를 나타낸 도면.

도 2는 일반적인 거대자기저항 및 터널접합 자기저항에 대한 효과의 예를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자의 구조를 개념적으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자에 있어서, 강자성체/탄소나노튜브 계면의 밴드 모식도를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

301, 302... 강자성체

303... 탄소나노튜브

304... 반강자성체

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널 접합 자기저항 소자는, 강자성체와 강자성체 사이에 탄소나노튜브가 형성되어 연결되는 점에 그 특징이 있다.

여기서 상기 탄소나노튜브는, 상기 강자성체 사이에 형성됨에 있어 도체성 탄소나노튜브가 수평 성장될 수 있으며, 또한 상기 탄소나노튜브는 상기 강자성체 사이에 형성됨에 있어 도체성 탄소나노튜브가 수직 성장될 수 있는 점에 그 특징이 있다.

또한 상기 복수의 강자성체 중에서, 스핀 방향을 고정시킬 수 있도록, 하나의 강자성체에 반강자성체가 연결되어 형성된 점에 그 특징이 있으며, 상기 반강자성체는 외부에서 인가되는 자기장에 의하여 내부 스핀 방향이 선택되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 탄소나노튜브는 열처리(thermal annealing)를 통하여 터널 베리어의 높이가 조절되는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 강자성체 사이에 탄소나노튜브를 연결시켜 터널접합 자기저항 소자를 형성하고, 자기저항 효과를 증대시킴으로써 응용 가능성을 높일 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자의 구조를 개념적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 강자성체(301)(302) 사이에 수직, 수평성장 또는 전기영동법에 의하여 도체성 탄소나노튜브(303)를 연결한다. 이때, 다수의 탄소나노튜브(303)가 임의로 위치할 수 있으므로 재현성이 크다고 할 수 있다.

이와 같이 연결된 강자성체(301)의 한쪽은 반강자성체(304)에 연결함으로써 스핀을 고정시킬 수 있다. 이때, 반대쪽 강자성체(304)는 외부에서 인가되는 자기장의 방향에 따라 변화될 수 있다. 이에 따라, 외부 자장이 정렬된 방향에 따라 강자성체층에 형성되는 스핀의 방향은 서로 평행하기도 하고 반평행하게 형성되기도 한다.

도 4는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자에 있어서, 강자성체/탄소나노튜브 계면의 밴드 모식도를 나타낸 도면이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 강자성체에 형성된 스핀의 방향이 서로 평행할 경우에는, 탄소나노튜브에 흐르는 전류의 스핀 방향은 강자성체층 1의 스핀 편극된 전류의 편극률을 따르게 된다. 그리고, 이와 같은 전류의 흐름은 다시 탄소나노튜브를 지나서 강자성체층 2로 흐르게 된다.

이때, 탄소나노튜브 전류의 주 스핀 방향이 업(UP)이고, 강자성체층 2의 밴드의 주 스핀 방향이 업(UP)이므로, 이 전류는 업(UP)에 의해 주도되어 흐르게 된다. 한편, 서로 반평행할 경우에는 탄소나노튜브에 흐르는 전류는 위에서 설명한 바와 같으나, 이 전자의 흐름이 강자성체층 2로 흐를 경우 주 스핀 방향인 업(UP)이 흐를 수 있는 밴드의 DOS(Density Of State)가 작아서 잘 흐를 수가 없게 된다.

또한, 이 전자들이 두 터널 장벽 사이에 존재하게 되면, 쿨롱 블로케이드 (Coulomb Blockade)에 의해서 전자의 흐름이 더욱 방해를 받게 된다. 결과적으로 강자성체층의 자기 모멘트 방향이 평행한 경우에 비해서 반평행한 경우에 저항이 더 크게 작용된다.

그리고, 상기 탄소나노튜브는 열처리(thermal annealing)를 통하여 터널 베리어의 높이가 조절될 수 있다.

한편, 일반적인 터널접합 자기저항 구조에 비해서 탄소나노튜브를 터널장벽 대신에 사용할 경우에는 다음과 같은 장점들이 있다.

첫 째, 터널장벽의 두께가 탄소나노튜브의 팁 및 접촉저항에 의해서 결정되어 있으므로, 터널 절연막을 증착할 때 발생될 수 있는 두께 문제가 해결된다.

둘 째, 상온에서 터널 절연막에서 전자가 비탄성 충돌을 함으로써 생기는 자기저항 변화율의 감소가 탄소나노튜브의 경우 전도 특성이 탄성충돌(ballistic)이기 때문에 이 감소 현상이 나타나지 않는다. 또한, 기존의 TMR 소자의 온도 의존성이 비탄성 충돌에 의해 생기고, 비탄성 충돌은 온도에 크게 의존하지만 탄소나노튜브의 경우, 이 비탄성 충돌 현상이 없으므로 온도 의존성이 크게 감소한다.

셋 째, 쿨롱 블로케이드 또는 스핀 의존 공명터널 효과 등에 수반되어서 자기저항율의 증대를 기대할 수 있고, 크기가 줄어듦에 따라 이 효과들이 더 크게 나타날 수 있다.

넷 째, 양쪽 강자성체 물질로 큰 자기저항 효과를 거두려면, 스핀 편극률이 큰 물질을 사용해야 한다. 탄소나노튜브의 합성은 촉매를 사용한 CVD 증착방법에는 Ni, CO, Fe, Mo 등의 물질을 사용한다. 이런 물질은 일반적으로 스핀 편극율이 높다. 특히, CoFe 전극을 사용하면 더 큰 스핀 편극율을 얻을 수 있다. 탄소나노튜브는 이러한 전극에서 쉽게 증착되어 진다. 즉, 합성 증착시에 큰 이점이 될 수 있다.

다섯 째, 현재 하드 디스크 드라이브용 재생자기헤드나 자기메모리소자의 경우에, 고집적화와 고효율이 관건이 되고 있다. 탄소나노튜브는 그 반경이 나노크기이고 길이도 원하는 크기만큼 제어가 가능하고, 작아짐에 따라 쿨롱 블로케이드 효과 등 자기저항 효과의 증대 가능성이 커지게 되므로, 소형화 및 고집적화에 유리하다고 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 터널 접합 자기저항 소자는, 강자성체 사이에 탄소나노튜브를 연결시켜 터널접합 자기저항 소자를 형성하고, 자기저항 효과를 증대시킴으로써 응용 가능성을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 강자성체와 강자성체 사이에 탄소나노튜브가 형성되어 연결된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브는, 상기 강자성체 사이에 형성됨에 있어 도체성 탄소나노튜브가 수평 성장되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브는, 상기 강자성체 사이에 형성됨에 있어 도체성 탄소나노튜브가 수직 성장되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 복수의 강자성체 중에서, 스핀 방향을 고정시킬 수 있도록, 하나의 강자성체에 반강자성체가 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 반강자성체는 외부에서 인가되는 자기장에 의하여 내부 스핀 방향이 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브는 열처리(thermal annealing)를 통하여 터널 베리어의 높이가 조절되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 터널접합 자기저항 소자.