KR20140042867A - 저항성 스위칭용 고감도 자기 튜닝가능 이종접합 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실온에서 마이크로 테슬라 자기장에 튜닝될 수 있는, 초박형 페리자성 CoFe₂O₄ (CFO) 층이 있는 강자성 (La_0.66Sr_0.34MnO₃) LSMO 층을 포함하는 혼합물로 이루어진 고감도 자기적 이종접합 디바이스를 개시한다.

Description

저항성 스위칭용 고감도 자기 튜닝가능 이종접합 디바이스{HIGHLY SENSITIVE MAGNETIC TUNABLE HETEROJUNCTION DEVICE FOR RESISTIVE SWITCHING}

후속하는 명세서는 특히 본 발명 및 본 발명이 실시될 방법을 설명한다.

본 발명은 마이크로 테슬라 자기장에 튜닝될 수 있는, La_0.66Sr_0.34MnO₃ (LSMO) 상의 초박형 CoFe₂O₄ (CFO)의 고감도 자기적 이종접합 디바이스에 관련된다.

금속 산화물, 특히 혼합-원자가(mixed-valent) 망가나이트는 상이한 부수적 에너지(전하, 스핀, 오비탈 및 격자)들 사이의 경쟁으로부터 비롯된 그들의 특이한 성질의 관점에서 최근 과학적 관심의 중심에 있다. 이러한 기능성 산화물 시스템 내의 높은 캐리어 밀도는 실리콘 기초 시스템이 캐리어 통계적 문제에 직면하는 나노스케일에서의 미래 전자공학에 대한 그들의 잠재력에 있어서 큰 장점인 것으로 간주된다. 그러므로 신규한 현상들을 추구함에 있어서 이러한 그리고 다른 격자-매칭된 산화물 시스템을 수반하는 이종-구조 및 다중층의 속성을 탐구하는 것에 대하여 광범위한 연구 작업이 이루어지고 있다. 최근, 몇몇 고유한, 흔치 않으며 신규한 물리적 성질이 이러한 산화물 기초 인터페이스 시스템 내의 전송 및 자기성의 도메인에서 보고되어 왔다. 단극성 및 양극성 스위칭이 상이한 막 및 인터페이스 시스템에서 관찰되어 왔으며, 필라멘트 경로 형성 또는 필드 유도형 인터페이스 베리어 변경에 기초한 매커니즘들이 제안되어 왔다.

저항성 스위칭(RS)은 대안적 고밀도 비-휘발성 메모리 애플리케이션에 대한 스스로의 잠재성의 관점에서 최근에 관심을 받는 특히 흥미로운 현상이다. 단극성 및 양극성 스위칭이 상이한 막 및 인터페이스 시스템에서 관찰되어 왔으며, 필라멘트 경로 형성 또는 필드 유도형 인터페이스 베리어 변경에 기초한 매커니즘들이 제안되어 왔다 [J. Maier , Nature Mater . 4, 805 (2005);R Waser, R Dittmann, G Staikov, and K Szot, Adv . Mater . 21, 2632 (2009)]. 망가나이트에서, 저항성 스위칭(RS)은 망가나이트 족들 중 최저 대역폭을 가지는 홀 도핑 레짐(doping regime)(x = 0.1-1.0) 내의 Pr_xCa_1-xMnO₃ (PCMO, 전하 정렬(charge ordered; CO) 절연체)에서 처음 보고되었다. 외란(전기/자기장, 전류, 온도 등) 하에서의 강자성 핵의 동시적 출현으로써의 CO 상태의 용융이 큰 저항 감소로 이끌었다. 후속된 연구들이 망가나이트 내의 RS에서의 계면간 효과(interfacial effects)의 중요성을 야기했으며 다양한 관련된 모델들이 역시 제안되어 왔다.

매우 두꺼운(83 nm) 졸-겔 침착된 NiO 막이지만 오직 저온에서의 저필드 자기적 동조에 대한 Das 등[ S. Das, S. Majumdar, S. Giri, J. Phys. C 114, 6671 (2010)] 에 의한 종래의 보고서가 존재한다.

B. B. Nelson-Cheeseman, F. J. Wong 등에 의한 "자기적 터널 정션에서의 자기적 베리어 층(Room Temperature Magnetic Barrier Layers in Magnetic Tunnel Junctions)"이라는 명칭을 가진 문헌인 APS Journals, Phys . Rev . B Volume 81, Issue 21은 고스핀 분극된 LSMO 및 Fe₃O₄ 전극 및 페리자성 NiFe₂O₄ (NFO) 베리어 층을 가지는 자기적 터널 정션의 스핀 전송 및 계면간 자기화에 관련된다. 스핀 의존성 전송은 마그논이 베리어 층 자체 내에서 여기되는 마그논-지원 스핀 의존성 터널링의 관점에서 설명된다. LSMO(25 nm)/NFO(3 nm)/Fe₃O₄(25 nm)의 삼중층이 (110)-방향 SrTiO₃ (STO) 기판 상에 펄스형 레이저 침착에 의하여 성장되었다. 자화는 +/- 1.5 테슬라에서 유도되고 인가된 자기장은 -2000 내지 +2000 Oe의 범위 내에 있다.

A. Asamitsu에 의한 문헌인 "Current switching of resistive states in magnetic resistive manganites"는 플로팅-존 방법에 의하여 용융-성장되었던 Pr_1-xCa_xMnO₃ (x = 0.3)의 결정을 개시한다. 이 결정은 근사적으로 4 테슬라의 더 높은 자기장에서의 스위칭 현상을 보여주었다.

비록 저항성 스위칭이 다른 금속 산화물 시스템 및 그들의 인터페이스 내에서 실례가 들어지고 자기장 하에서 튜닝되는 것으로 도시되지만, 자기적 산화물의 "자기적" 양태는 저필드 지지성(tenability)의 관점에서 특히 강조되지 않았다.

본 발명의 주된 목적은 마이크로 테슬라 자기장에 튜닝될 수 있는, La_0.66Sr_0.34MnO₃ (LSMO) 상의 초박형 CoFe₂O₄ (CFO)의 고감도 자기적 이종접합 디바이스를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 저항성 스위칭을 초저 자기장에서의 저항성 스위칭을 높은 민감도로 튜닝하는 자기적 이종접합 디바이스를 제공하는 것이다.

이에 상응하여, 본 발명은 단일 결정 (001) LaAlO₃ (LAO)의 기판, 강자성 La_0.66Sr_0.34MnO₃ 층 (LSMO) 및 페리자성 CoFe₂O₄ (CFO) 층을 포함하는 고감도 자기적 이종접합 디바이스를 제공한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 디바이스는 대안적 고밀도 비-휘발성 메모리 애플리케이션에 대하여 25 내지 30℃의 범위 내의 온도, 2 내지 100 mT 자기장에서 LSMO 및 CFO의 인터페이스에서의 거대 저항 스위칭(resistive switching; RS)이 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 기판의 두께는 450 내지 550 μm이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, LSMO 층의 두께는 100 내지 130 nm의 범위 내에 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, CFO의 두께는 2 내지 6 nm의 범위 내에 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 디바이스는 25 내지 30℃의 범위 내의 온도, 72 mT 자기장의 존재시, 2 내지 6 nm CFO에 대하여 0.7 내지 2V의 범위 내의 저항성 스위칭 전압을 나타낸다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 이 디바이스는 자기 제한성이며 자기장을 감지한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 이종접합 디바이스의 조제 프로세스는:

a. 약 100 mTorr 산소압, 약 700℃에서의 펄스 층 침착(PLD)에 의하여 100 내지 130 nm (La_{0 .66}Sr_{0 .34}MnO₃) LSMO 막을 450 내지 550 μm 단결정 (001) LaAlO₃ (LAO) 기판 상에 침착시키는 단계;

b. 단계 a에서 획득된 바와 같은 막의 일부를 마스킹하고 15 내지 25 nm LSMO를 약 100 mTorr 산소압, 약 700℃에서 PLD에 의하여 마스킹된 표면 상에 성장시킴으로써 박막을 형성하는 단계; 및

c. CFO의 2 내지 6 μm 막을 단계 b에서 획득된 바와 같은 LSMO 막 상에 약 100mTorr 산소압, 약 700℃에서의 PLD에 의하여 침착하고, 약 400 토르의 산소압에서 25 내지 30℃의 범위 내의 온도까지 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예인 CFO/LSMO를 사용하여 자기장을 검출하는 방법은;

a. 고감도 자기 이종접합 디바이스를 제공하는 단계;

b. 자기장을 검출하기 위하여 상기 디바이스를 자기장에 노출시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예인 CFO/LSMO를 사용하여 자기장을 유도하는 방법은;

a. 고감도 자기 이종접합 디바이스를 제공하는 단계;

b. 상기 디바이스를 전류에 노출시켜 자기장을 유도하는 단계를 포함한다.

도 1a 는 단결정 (001) LaAlO₃ (LAO) 기판(500 μm), La_{0 .66}Sr_{0 .34}MnO₃ (LSMO) 막(100 nm), 및 LSMO(20 nm, 바닥 층으로서) 및 상이한 두께(2 nm, 4 nm, 6 nm, 상단 층으로서)의 CoFe₂O₄ (CFO)의 새롭게 성장된 이종구조로 구성된 초박형 이종접합 디바이스를 나타낸다. CPP 측정(measurement) 내의 화살표는 전류-전압 측정을 수행하기 위하여 어디에 전압 프루브가 놓여졌는지를 표시한다.
도 1b 는 4 nm CFO/ LSMO 인터페이스의 단면 TEM(Transmission electron microscopy) 이미지를 나타낸다.
도 1c 는 4 nm CFO/LSMO 인터페이스의 도전 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지를 나타낸다.
도 1d 는 상이한 CFO 두께(2 nm에 대해서 블랙, 4 nm에 대해서 적색, 및 6 nm에 대해서 녹색)에 대한 면수직 전류(current perpendicular to plane; CPP) 모드에서의 LSMO-CFO 인터페이스 양단에 자기장이 없는 경우에 대해 표시된 통상적 I-V 곡선을 나타내며, 소집합은 두 개의 상이한 디바이스 영역, 즉 2mm × 3mm 및 500μm × 500μm에 대한 저항성 스위칭(Resistive switching; RS) 곡선을 도시한다.
도 2a 는 정밀 튜닝된 자기장 하에서의 CFO 두께(2 nm)의 샘플의 I-V 특징을 나타내는데, 자기장에 따른 임계 전압의 체계적 변동을 도시한다. 소집합은: 대수 스케일에서의 I-V 곡선이다.
도 2b 는 정밀 튜닝된 자기장 하에서의 CFO 두께(4 nm)의 샘플의 I-V 특징을 나타내는데, 자기장에 따른 임계 전압의 체계적 변동을 도시한다. 소집합은: 대수 스케일에서의 I-V 곡선이다.
도 2c 는 정밀 튜닝된 자기장 하에서의 CFO 두께(6 nm)의 샘플의 I-V 특징을 나타내는데, 자기장에 따른 임계 스위칭 전압(스위칭 전압)의 체계적 변동을 도시한다. 소집합은: 대수 스케일에서의 I-V 곡선이다.
도 3a 는 상이한 CFO 두께에 대한 자기장에 따른 임계 스위칭 전압(V_th)의 체계적 변동을 나타낸다.
도 3b 는 저항성 스위칭에 대한 자기장 방향의 효과를 나타낸다.
도 4a 는 베어(bare) CFO 박막(100 nm)의 자화 곡선을 나타낸다.
도 4b 는 베어 LSMO 박막(120 nm)의 자화 곡선을 나타내며 그리고
도 4c 는 CFO의 2 nm(블랙 곡선) 및 6 nm(청색 곡선) 두께에 대한 LSMO-CFO 정션의 자화 곡선을 나타낸다.
도 5a 는 임계 스위칭 전압(V_th)을 4nm CFO에 대한 역 바이어스 전압 |V_rb|의 함수로서 나타낸다.
도 5b 는 고저항 상태(HRS)(블랙 실선 원) 및 저저항 상태(LRS)(적색 정방형)에서의 자기장의 함수로서 도시된 저항을 나타낸다.
도 6 은 (a) HRS에서의 산소 결핍(vacancies)의 결과로서 LSMO/CFO 인터페이스에서 형성된 무바이어스 계면간 베리어(unbiased interfacial barrier), (b) 외부 자기장의 부재 시의 스위칭 이전의 순방향 바이어스 하에서의 (c) HRS로부터 LRS로의 스위칭(크로싱) 이후의 순방향 바이어스 하에서의, (d) 외부 자기장의 존재 시의 순방향 바이어스 HRS을 도시하는 개략도이다.

본 발명은 초박형 페리자성 CoFe₂O₄ (CFO) 및 강자성 La_0.66Sr_0.34MnO₃ (LSMO)를 포함하며 실온, 마이크로 테슬라 자기장에서(훨씬 더 낮은 자기장에서) 거대 저항 스위칭(RS)이 가능한 고감도 자기적 이종접합 디바이스에 관련된다.

일 양태에서, 초박형 CoFe₂O₄ (CFO)가 펄스형 레이저 침착(PLD)에 의하여 성장되며 면수직 전류(CPP) 기하학적 구조에서의 전류-전압(I-V) 특징에 대하여 검사되는 La_0.66Sr_0.34MnO₃ (LSMO) 상에 있는 신규한 이종접합 디바이스가 제공된다. 이러한 인 시츄 피성장 인터페이스 상에서의 이러한 측정들은 거대 저항 스위칭이 있는 정류 성질을 드러낸다. 스위칭 전압은 더 낮은 필드에서 높은 민감도를 가지고 자기적으로 튜닝될 수 있다.

디바이스는 CPP에서 정류 특징을 나타내며 저항성 스위칭에 대한 임계 전압 및 스위칭에서의 컨덕턴스는 자기장과 함께 체계적이고 상승하는(synergistic) 변동을 보여준다.

여기에서 본 명세서에서 설명되는 '자기적 튜닝가능 저항성 스위칭'이라는 용어는 유전체가 자신의(두 개의 단자) 저항 스위칭을 인가된 전압의 영향 하에 갑자기 변경시키는 물리적 현상들이며, 디바이스를 스위칭하기 위하여 본질적인 이러한 전압은 자기장의 존재시에 변화한다. 저항의 변화는 비-휘발성이고 가역적이다.

용어 '이종접합' 또는 '인터페이스 시스템'은 CFO와 LMSO 층 또는 지역 사이에서 발생하는 인터페이스를 지칭하고 의미한다.

용어 '스위칭 전압'은 자신의 저항 상태를 스위칭하기 위하여 필요한 스위치 모듈 양단의 최대 신호 전압을 지칭한다.

CFO는 실온에서 이것의 매우 높은 자기변형 계수(magnetostriction coefficient) [R. Bozorth, E. Tilden & A. Williams, Phys. Rev. 99, 1788 (1955).] (λ ~ 800 x 10^-6) 및 매우 효율적인 스핀 필터링 효과 [A. Ramos, M. -J. Guittet, J. -B. Moussyet, R. Mattana, C. Deranlot, F. Petroff, C. Gatel, Appl. Phys. Lett. 91, 122107 (2007)]에 대하여 알려진 페리자성 절연체이다.

La_1-xSr_xMnO₃ (러더포드 백스캐터링(Rutherford Backscattering)에 의하여 결정된 바와 같이 x = 0.34)는 큰 대역폭 및 거의 선형인 Mn³⁺-O-Mn⁴⁺ 결합에 기인하여 실온에서 강자성 도체이다. 그러나, 인터페이스에서의 Mn-O-Mn 결합 성질의 작은 변화는 전송 및 자기적 성질을 크게 변경시킬 수 있다. [A. Rana, Kashinath Bogle, Onkar Game, Shankar Patil, Nagarajan Valanoor, Satishchandra Ogale, Appl. Phys. Lett. 96, 263108 (2010); A. Urushibara, Y. Moritomo, T. Arima, A. Asamitsu, G. Kido, Y. Tokura, Phys. Rev. B 51, 14103 (1995).]

초박형 CoFe₂O₄/ La_0.66Sr_0.34MnO₃ 로 구성된 본 발명의 이종접합 디바이스는 저항성 스위칭(RS)을 위한 인터페이스 시스템을 디스플레이하고 실온(27 ℃)에서 낮은 자기장에 의하여 높은 민감도로 게이팅될 수 있는 매우 첨예한(양극성) 천이를 보여준다. 따라서, 상기 디바이스는 자기장을 감지한다.

La_{0 .66}Sr_{0 .34}MnO₃ (LSMO) 및 초박형 CoFe₂O₄ (CFO)의 인터페이스는 실온(27 ℃), 2-100 mT의 범위에서 마이크로 테슬라 레벨에서의 현저하게 높은 자기장 민감도를 가지며 저항성 스위칭 현상에서 매우 특유하며 흥미로운 자기-전자적 커플링을 보여준다.

디바이스는 LSMO(120 nm) 층 상에 2-6 nm의 범위의 두께로 성장된 자기제한성 막 CoFe₂O₄ (CFO) 층으로 이루어진다.

자기장의 존재시의 저항성 스위칭 전압에서의 관찰된 변화는 본 발명의 이종접합 디바이스내에서 실온(27℃), 72mT에서, LSMO/CFO(2 nm CFO 케이스)의 인터페이스에서 ~ 2 V 이다

이종접합 디바이스 합성물은 펄스 층 침착(PLD) 기법에 의하여 성장되는 두 개의 물질로 이루어지는데, 이것은 KrF 엑시머(레이저, λ=248 nm, 20 ns 펄스)를 사용하여 원자층에 의한 침착 층에 의하여 알려진다. 레이저 삭마는 2 J/cm²의 에너지 밀도 및 10 Hz의 반복 레이트에서 수행되었다. 상부 층은(페리자성 절연체로서 역할하는) CFO이고 바닥 층은 더 넓은 대역폭 및 거의 선형인 Mn³⁺-O-Mn⁴⁺ 결합에 기인하여 실온에서 강자성 도체인 La_1-xSr_xMnO₃ (x=0.34)이다.

초박형 CoFe₂O₄/La_0.66Sr_0.34MnO₃의 이종접합 디바이스를 제조하는 프로세스는;

1. LSMO(La_{0 .66}Sr_{0 .34}MnO₃) 막 [Abhimanyu Rana, Kashinath Bogle, Onkar Game, Shankar Patil, Nagarajan Valanoor, and Satishchandra Ogale, Appl . Phys . Lett . 96, 263108 (2010)]을 단결정 (001) LaAlO₃₍LAO) 기판 상에 100 mTorr 산소압에서 700℃에서 PLD(펄스형 레이저 침착)에 의하여 침착하는 단계;

2. 단계 1의 막의 일부를 마스킹하고, LSMO를 700℃, 100mTorr 산소압에서의 PLD에 의하여 마스킹된 표면 상에 성장시켜 박막을 형성하는 단계;

3. CFO의 박막(2 내지 6 nm)을 단계 2의 LSMO 막 상에 700℃, 100mTorr 산소압에서의 PLD에 의하여 침착하고 400 토르의 산소압에서 냉각하는 단계를 포함한다.

위에서 설명된 프로세스에 따르면, 100 nm 균일 LSMO 막이 단결정 (001) LaAlO₃₍LAO) 기판 상에 700℃, 100 mTorr 산소압에서의 PLD에 의하여 침착된다. 후속하여, 마스크가 100 nm 막 표면의 일부 상에 놓여지고, 그리고 20 nm LSMO 막이 이 마스크를 통하여(신선한 LSMO 표면을 생성하기 위하여) 동일한 온도 및 산소압에서의 PLD에 의하여 성장된다. 이 이후에는 즉시 수 나노미터 두께의(2 내지 6 nm) CFO 막의 침착이, 700℃, 100mTorr 산소압에서의 PLD에 의하여 수행되고, 400 토르의 산소압에서 냉각되어 원하는 초박형 이종접합 디바이스를 획득한다. 초박형 이종접합 디바이스는 도 1a에 도시된다. 초박형 이종접합은 도 1b에 도시된 바와 같은 TEM 및 도 1(c)에 도시된 바와 같은 AFM(Atomic force microscopy)에 의하여 특징지어진다. CFO/LSMO 이종구조의 TEM(Transmission electron Microscopy) 단면 이미지(도 1b)는 평행 격자 평면, 두께 균일성 및 높은 정도의 표면 평탄성 AFM(Atomic force microscopy) 토포그래픽 이미지(~ 0.4 nm의 RMS(Root mean square) 거칠기)를 보이며, -3.5 V의 음의 샘플 바이어스에서의 동시에 획득된 도전-AFM(conducting-AFM; CAFM) 이미지는 도 1c에서 설명된다. CPP 구성에서 CAFM에 의하여 측정된 전류의 공간적 분산은 그레인(grain) 경계 근처의 전류의 나노스케일 변조를 가지고 인터페이스에 걸쳐 일정하게 관찰된다.

본 발명은 더 나아가 CFO/LSMO을 사용하여 자기장을 검출하는 방법으로서;

1. CFO 및 LSMO를 포함하며 저항성 스위칭이 가능하고 저항성 스위칭이 자기적으로 튜닝가능한 초박형 이종접합 디바이스를 제공하는 단계;

2. 전류-전압 측정이 동시에 수행되게 하면서 이 디바이스를 자기장에 노출시키는 단계를 포함하는 방법에도 관련된다. 자기장이 변경됨에 따라; 저항성 스위칭 전압도 역시 변화할 것이며 이것은 바로 인가된 외부 자기장의 측정이다.

3. 전류-전압 측정이 도 1a에 도시된 바와 같은 면수직 전류(CPP) 기하학적 구조에서 수행될 것이다.

자기장의 부재시에 상이한 CFO 두께(2 nm, 4 nm, 6 nm)에 대한 LSMO-CFO 인터페이스에 걸친 CPP에서의 정류 특징 및 상이한 CFO 두께에 대한 임계 전압은 다음과 같이 설명된다:

도 1d는 상이한 CFO 두께 값에 대하여 획득된 통상적 I-V 곡선을 도시한다. 큰 RS가 모든 CFO 두께(2 nm, 4 nm 및 6 nm)에 대하여 임계 전압 ~ 4.45 V(±0.05)에서 양의 극성(LSMO +ve 단자)을 향하여 보여진다. 음의 바이어스 사이클에서 리버스 천이가 LRS로부터 HRS로 발생하는데, 하지만 이것은 양의 사이클처럼 첨예하지 않다. RS 스위칭 전압의 CFO 층 두께에 대한 의존성은 이것이 순수한 계면간 현상이라는 것을 암시한다. 도 1d 내의 소집합은 두 개의 상이한 디바이스 영역, 즉 2mm × 3mm 및 500μm × 500μm에 대한 RS 곡선을 도시한다. 감소하는 측방향 영역에 따라 HRS & LRS에 대한 저항 값이 증가한다는 것이 명백하게 관찰되는데, 이것은 계면간 타입 저항성 스위칭과 완전히 일관적이다.

면수직 전류(CPP) 전송은 전압이 1.0 V/s의 스윕 레이트 및 0.05 V의 스텝을 가지고 스위핑 싸이클에서 변동되는(- 5 V→0V→ 5V→ 0V→-5 V) 그들의 인터페이스에 걸쳐 연구되고 전류가 기록된다. 놀랍게도, 거대 저항 스위칭이 이러한 인터페이스 모두에 걸쳐 불변하게 관찰된다. (CPP 전송에서 I-V 측정용 상단 콘택은 인듐이다).

도 2a 는 2 nm의 CFO 두께에 대하여 인터페이스에 걸쳐 관찰된 통상적 I-V 곡선을 도시한다. 이것은 증가하는 자기장에 따라 저항성 스위칭 전압의 체계적 감소를 도시한다.

이러한 계면간 타입에 대해서 위에서 관찰된 다이오드-유사 정류 특징은 도핑된 망가나이트의 p-n 정션 인터페이스에서도 공통으로 관찰된다. LRS 상태에서의 더 높은 전류 값은 위에서 논의된 CAFM 이미지로부터 분명해지는 바와 같은 CFO 그레인 경계를 통한 전류의 전송에 기인될 수 있다. 이러한 정류를 위한 메커니즘은 금속-망가나이트 인터페이스에서, 특히 Pr_0.7Ca_0.3MnO₃₍PCMO)의 경우에 보여지는 쇼트키 베리어(Schottky barrier)에 기인하는데[A. Sawa, T. Fujii, M. Kawasaki, and Y. Tokura, Appl . Phys . Lett . 85, 4073 (2004); A. Sawa, T. Fujii, M. Kawasaki, Y. Tokura, Appl . Phys . Lett . 88, 232112 (2006)] 이것은 절연 Sm_0.7Ca_0.3MnO₃₍SCMO)의 수 개의 단위 셀들을 LSMO 상에 침착시킨 이후에만 정류 특징을 보였다. 그러므로, CFO 층의 절연 속성 및 이것의 대역 정렬이 쇼트키 타입 정류로 나아갈 수 있는 표면 전자 베리어 변경에서 중요한 역할을 수행한다.

다른 실시예에서, 신규한 초박형 이종구조의 자기적(La_0.66Sr_0.34MnO₃) LSMO 및 CoFe₂O₄ (CFO) 이종접합에 걸친 고감도 자기적 튜닝가능 저항성 스위칭이 본 명세서에서 이하 설명된다:

도 2b 및 도 2c는 4 nm 및 6 nm CFO 두께에 대한 저항성 스위칭 곡선을 단계들에서 72 mT까지 인가되는 자기장의 함수로서 도시한다. 스위칭 전압은 천이의 첨예도를 잃지 않으면서 매우 낮은 자기장에서, CFO 두께의 모든 케이스에 대하여 사용된 자기장이 증가함에 따라 크게 감소되는 것으로 관찰된다. 가장 현저하게는, 스위칭 전압 천이는 자기장의 존재시에 CFO 두께에 다소 강하게 의존한다.

더 나아가, 도 3a는 저항성 스위칭 전압(V_th)의 변동을 인가된 자기장의 함수로서 도시한다. CFO 두께가 증가함에 따라 자기장 변동의 효과가 감소한다는 것도 역시 관찰되는데, 이것은 자기장 및 스위칭 전기장 값을 조절하는 현상들 사이의 강하고 흥미로운 커플링을 표시한다. 72mT에서의 저항성 스위칭 전압에서의 관찰된 천이는 2 nm, 4 nm 및 6 nm CFO 케이스 각각에 대하여 ~2V, ~1.4 V, 및 ~0.7V이다.

자기장 방향의 반전은 RS 전압 천이의 경향에 영향을 주지 않는 것으로 보인다[도 3b].

명백하게, 고-저항성 CFO와 인터페이싱되는 큰 대역폭 망가나이트를 수반하는 본 발명의 메커니즘은 이후에 논의되는 바와 매우 상이하다. 또한, 도 4a 내지 도 4c의 자화 측정이 LSMO 및 CFO 사이의 반-강자성 커플링을 드러냈다는 것을 언급하는 것이 유용하다.

RS 현상은 역 바이어스 전압(V_rb)을 도 5a의 양의 스윕 이전에 0 V, -1V, -2V로부터 -7V로 변경시킴으로써 역시 연구되었다. 디바이스를 고저항 상태(HRS)로부터 저저항 상태(LRS)로 스위칭하기 위하여 요구되는 임계 전압(V_th)이 음의 바이어스가 증가함에 따라 증가한다는 것이 관찰되었다. 이러한 관찰은 RS를 감독하는 엔티티가 인가된 전기장의 극성에 의해서만이 아니라 그것의 강도에 의해서도 영향받는다는 것을 암시한다. 이것은 산소 결핍의 쇼트키 베리어의 변경에서의 역할이 RS에 이르게 한다는 것을 암시하고, 또한 줄 가열 효과(Joule heating effect)의 가능한 역할을 배제하는데, 이것은 그런 경우 Vrb의 감소가 이 디바이스가 더 높은 Vth.에서 스위칭하도록 할 것이기 때문이다[H. Peng, G. P. Li, J. Y. Ye, Z. P. Wei, Z. Zhang, D. D. Wang, G. Z. Xing and T. Wu, Appl. Phys. Lett. 96, 192113 (2010), S. X. Wu, L. M. Xu, X. J. Xing, S. M. Chen, Y. B. Yuan, Y. J. Liu, Y. P. Yu, X. Y. Li, and S. W. Lia, Appl. Phys. Lett. 93, 043502 (2008)].

다른 관련된 중요한 관찰은 자기장이 증가함에 따라 HRS에서의 디바이스 저항이 증가하는 것이다[도 5b]. 양의 자기-저항(MR)이 Nb-도핑된 SrTiO3(Nb-STO)와 접촉하는 LSMO에 대해서 이전에 보고된 바 있는데, 여기에서 정션의 인터페이스에서의 전자적 상호작용이 이를 담당하는 것으로 추정된다. [K. Jin, Hui-bin Lu, Qing-li Zhou, Kun Zhao, Bo-lin Cheng, Zheng-hao Chen, Yue-liang Zhou, and Guo-Zhen Yang, Phys. Rev. B, 71, 184428 (2005)]. 반면에 LRS에서는 저항이 자기장이 증가함에 따라 감소하는 것으로 보이는데(음의 MR), 이것은 벌크 LSMO의 성질이다. 이러한 관찰은 HRS에서 인터페이스가 전송을 정의하고 제어하는 반면에, LRS에서는 LSMO의 벌크가 전송을 제어한다는 것을 암시한다.

위의 관찰에 대한 가능한 설명은, LSMO/CFO 디바이스에서, 인터페이스로부터 이격된 벌크 LSMO는 실온에서 금속성인 반면에 계면간 LSMO 및 CFO 층은 디바이스 저항에 크게 기여할 것으로 기대된다는 것이다. 스위칭 전압의 약한 CFO 두께 의존성에 의하여 추정되는 바와 같이, 인터페이스에 인접한 LSMO 층은 HRS에서의 저항을 지배적으로 담당한다[도 6a]. 순방향 바이어스 하에서 전압은 주로 CFO 및 계면간 LSMO 층에 의하여 공유된다. 외부 전압이 증가함에 따라서, 계면간 LSMO 층에 걸친 전압 강하는 증가하여 임계 값에 도달하는데 이것이 양으로 충전된 산소 결핍을 CFO 층으로 밀어낸다[도 6b]. 산소 결핍을 계면간 LSMO로부터 배제시키면 자신의 금속성을 증가시키는데, 이를 통하여 절연 계면간 베리어를 ?칭(quenching)하여 HRS로부터 LRS로의 스위칭을 유도한다[도 6c]. 이와 유사하게, 디바이스가 역 바이어스되면 산소 결핍은 다시 계면간 LSMO 층 내로 복귀하며 결국 이것을 절연성으로 만들고 디바이스를 다시 LRS로부터 HRS로 스위칭한다.

만일 V가 디바이스가 자기장의 부재시에 HRS로부터 LRS로 스위칭하는 외부 인가된 전압이라면, 계면간 LSMO 및 CFO에 걸친 전압 강하는 각각 V₁ 및 V₂이고 그들의 저항 값에 비례하므로 V = V₁ + V₂가 된다. 따라서 V₁은 산소 결핍을 CFO 내에 밀어넣고 디바이스를 HRS로부터 LRS로 스위칭시키기 위하여 본질적인 실제 전압이다. 계면간 LSMO 층의 HRS 저항이 자기장에 의하여 증가된다(양의 MR)는 것을 상기하면, 이것에 걸친 상대적인 전압 강하는 증가하여야 한다[도 6d]. LSMO 계면간 층의 스위칭을 위한 최소 본질적 전압이 고정되기 때문에, 디바이스는 이제 여기에서 관찰되는 바와 같이 자기장의 존재시에 더 적은 인가된 전압에서 HRS로부터 LRS로 스위칭할 것이다. 이러한 주제에서 키 엘리먼트는 더 낮은 저항성 금속성 LSMO과 정션을 형성하는 계면간 LSMO 층의 양의 MR의 가능한 원점이다. 이러한 관점에서의 한 힌트가 Nb:STO/LSMO 인터페이스에 대한 Jin 등의 연구 [K. Jin, Hui-bin Lu, Qing-li Zhou, Kun Zhao, Bo-lin Cheng, Zheng-hao Chen, Yue-liang Zhou, and Guo-Zhen Yang, Phys. Rev. B 71, 184428 (2005)]로부터 획득될 수 있는데, 여기에서 저자는 정션의 각각의 지역 내의 페르미 레벨 근방의 전자의 상대적인 스핀 분극이 자신의 MR이 어떻게 영향받는지를 어떻게 결정하는지에 대해 논의한다. LSMO 시스템에서 t_2g 스핀 업 대역은 가득 채워지고 e_g 스핀 업 대역은 부분적으로 채워진다. t_2g 스핀 다운 대역은 에너지에 있어서 더 높으며 그러므로 채워지지 않는다. 이제 쇼트키 정션 형성 프로세스에서 전자가 계면간 LSMO 내로 쏟아져 들어가고 e_g 대역을 부분적으로 채우며, 후속하여 t_2g 스핀 다운 대역의 부분적인 채움 현상이 페르미 레벨 매칭시까지 대역 벤딩(band bending)으로 유도한다. CPP 전송 프로세스에서 양의 MR로 유도할 수 있는 것은 이러한 지역 내의 t_2g 스핀 다운 전자에 의한 스핀 업 전자들의 스핀 스캐터링(spin scattering)이다.

저항성 스위칭의 관찰된 현상은 궁극적으로 마이크로 및 나노 스케일에서 전자석을 제작하기 위하여 이용될 수도 있는 스위칭 전류를 유도한다. 또한 이것은 반강자성 막에서의 STM-팁이 있는 강자성 도메일을 나노제작하는 것(nanofabricating)과 같은 다양한 애플리케이션에 대하여 사용될 수 있는데, 이것은 무선-주파수 식별(RFID) [A. Asamitsu, Y. Tomioka, H. Kuwahara, and Y. Tokura, Nature 388, 50-52 (1997)]에 대하여도 역시 사용될 수 있다.

본 발명은 실온에서(펄스형 레이저 침착, PLD에 의하여 성장된) CFO/LSMO 이종구조에 거대 저항 스위칭을 제공하며, 이것은 매우 낮은 자기장에서 높은 민감도로 자기적으로 튜닝가능하다. 놀랍게도, 스위칭은 자기장의 부재시에 큰 CFO 두께 의존성을 보이지 않지만 인가된 자기장 하에서는 강한 CFO 두께 의존성을 보인다. 디바이스는 CPP 기하학적 구조에서 정류 특징을 나타내며 저항성 스위칭에 대한 임계 전압 및 스위칭에서의 컨덕턴스는 자기장과 함께 체계적이고 상승하는(synergistic) 변동을 보여준다.

예

후속하는 예는 예시로써 주어지며, 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

예 1

초박형 CoFe ₂ O ₄ /La _0.66 Sr _0.34 MnO ₃ 의 이종접합 디바이스의 조제

100 nm 균일 LSMO 막이 단결정 (001) LaAlO₃ (LAO) 기판(기판 두께는 500 μm) 상에 99.9 % 순도 LSMO 타겟으로부터 100mTorr 산소압, 700℃에서 PLD에 의하여 침착된다. 후속하여, 마스크가 100 nm 막 표면의 일부 상에 놓여지고, 그리고 20 nm LSMO 막이 이 마스크를 통하여(신선한 LSMO 표면을 생성하기 위하여) 동일한 온도 및 산소압에서의 PLD에 의하여 성장된다. 이것에 즉시 후속하여, 99.9% 순 CFO 타겟으로부터 700℃, 100mTorr 산소압에서의 PLD에 의하여 2 내지 6 nm CFO 막이 침착되어 원하는 초- 박형 이종접합 디바이스를 획득한다. 막들은 400 토르의 산소압에서 실온까지 냉각되었다.

예 2

자화 연구

자화 연구들은 SQUID-VSM(superconducting quantum interference device- Vibrating sample magnetometer)에 의하여 수행되었는데, 이것은 물질의 자기적 성질을 결정하기 위한 주지된 기술로서 인정된다.

본 발명의 장점

1. 본 명세서에서 개시된 자기적 스위칭은 메모리 디바이스, 자기장의 감지에 그 응용예가 있다.

2. 이것은 마이크로 또는 나노 레벨에서 자기장의 유도를 위하여 사용될 수 있다.

3. 이종접합은 저항성 스위칭을 자기장으로써 튜닝하는 이러한 효과를 이용하는 간단한 디바이스이다.

Claims (10)

1. 단결정 (001) LaAlO₃ (LAO)의 기판, 강자성 La_0.66Sr_0.34MnO₃ 층(LSMO) 및 페리자성 CoFe₂O₄ (CFO) 층을 포함하는 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 디바이스는 대안적 고밀도 비-휘발성 메모리 애플리케이션에 대하여 25 내지 30℃의 범위 내의 온도, 2 내지 100 mT 자기장에서 LSMO 및 CFO의 인터페이스에서 거대 저항 스위칭(resistive switching; RS)이 가능한, 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판의 두께는 450 내지 550 μm인, 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 LSMO 층의 두께는 100 내지 130 nm의 범위 내에 있는, 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 CFO 층의 두께는 2 내지 6 nm의 범위 내에 있는, 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 디바이스는 25 내지 30℃의 범위 내의 온도, 72 mT 자기장의 존재시, 2 내지 6 nm CFO에 대하여 0.7 내지 2V의 범위 내의 저항성 스위칭 전압을 나타내는, 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 디바이스는 자기 제한성(magneto restrictive)이며 자기장을 감지하는, 고감도 자기적 이종접합 디바이스.
8. 이종접합 디바이스의 조제 프로세스로서,
   a. 약 100 mTorr 산소압, 약 700℃에서의 펄스 층 침착(PLD)에 의하여 100 내지 130 nm (La_{0 .66}Sr_{0 .34}MnO₃) LSMO 막을 450 내지 550 μm 단결정 (001) LaAlO₃ (LAO) 기판 상에 침착시키는 단계;
   b. 단계 a에서 획득된 바와 같은 막의 일부를 마스킹하고 15 내지 25 nm LSMO를 약 100 mTorr 산소압, 약 700℃에서 PLD에 의하여 마스킹된 표면 상에 성장시킴으로써 박막을 형성하는 단계; 및
   c. CFO의 2 내지 6 μm 막을 단계 b에서 획득된 바와 같은 LSMO 막 상에 약 100mTorr 산소압, 약 700℃에서의 PLD에 의하여 침착하고, 약 400 토르의 산소압에서 25 내지 30℃의 범위 내의 온도까지 냉각하는 단계를 포함하는, 프로세스.
9. CFO/LSMO를 사용하여 자기장을 검출하는 방법으로서,
   a. 제 1 항에 청구된 바와 같은 고감도 자기 이종접합 디바이스를 제공하는 단계;
   b. 자기장을 검출하기 위하여 상기 디바이스를 자기장에 노출시키는 단계를 포함하는, 방법.
10. CFO/LSMO를 사용하여 자기장을 유도하는 방법으로서,
    a. 제 1 항에 청구된 바와 같은 고감도 자기 이종접합 디바이스를 제공하는 단계;
    b. 상기 디바이스를 전류에 노출시켜 자기장을 유도하는 단계를 포함하는, 방법.

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