KR20240044257A - 스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20240044257A
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Abstract

본 발명은 게이트전극; 상기 게이트전극 상에 형성된 강유전체층; 상기 강유전체층 상에 형성된 채널층; 상기 채널층 상에 형성된 터널 배리어층; 및 상기 터널 배리어층상에 형성된 강자성체층;을 포함하고, 상기 채널층의 주전하의 종류를 제어하여 전하전류의 방향을 제어하는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 강유전체층과 이종 접합된 채널층이 삽입되어, 상기 채널층의 주전하를 제어하는 것을 통해, 전하전류의 방향을 제어할 수 있다.

Description

스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법{SPIN-CHARGE CONVERSION CONTROL ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 채널층의 주전하를 제어하여 전하전류의 방향을 제어할 수 있는 스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날은 고도의 정보화 시대로서, 이는 컴퓨터의 대중화와 인터넷 및 이동통신 기술의 급속한 발전에 의해 주로 이루어졌다. 이러한 정보화 시대에는 효율적인 정보 처리 및 저장 기술이 요구된다. 최근에는 정보기기의 휴대성에 대한 요구가 증대됨에 따라, 정보기기의 초고속화, 소형화, 대용량화 및 저전력화가 크게 요구되고 있는 실정이다. 이와 같이 정보산업의 급속한 발달에 대응할 수 있는 특성을 가진 전자소자에 대한 필요성이 크게 증대되고 있는데, 그 동안 장기간에 걸친 기술적 진보로 인하여 캐리어 전하의 제어에 기반을 둔 트랜지스터를 포함한 현재의 전자소자기술은 거의 포화 상태이며, 수년 후에는 한계에 이를 것으로 예상된다. 특히 반도체 기반의 전자 소자 기술은 물리적 현상 및 나노 공정에 있어서 근본적인 기술적 한계에 부딪히고 있으며 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 차세대 전자 소자 기술의 출현이 강하게 요구되고 있다.
이에 대한 대안으로 지금까지 분자전자, 나노전자, 스핀트로닉스 및 양자정보기술 등 많은 새로운 방법론이 제안되었다. 그 중에서도 스핀트로닉스는 가장 유망한 차세대 정보기술이라 할 수 있다. 스핀트로닉스(Spintronics)는 '스핀(spin)'과 '일렉트로닉스(electronics)'의 합성어로 전자의 스핀을 활용하는 기술이다. 용어에서 보듯이 이 기술은 전자의 전하뿐만 아니라 스핀 정보, 즉 spin-up, spin-down을 제어하고, 구분하여 사용할 수 있어 비휘발성, 고집적도, 저에너지 소비 및 데이터처리 속도 향상 등의 다양한 잠재적 이점이 있다.
상기와 같은 다양한 장점과 기대효과에도 불구하고 스핀트로닉스는 현재 여러가지 문제에 직면해 있다. 기술의 발전을 위해서는 관련소자의 중요 원리가 되는 pure spin의 생성 및 주입, 장거리 스핀 전송, 스핀 방향 감지 등의 조작에 아직 많은 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 새로운 소자 개념의 도입과 신규 스핀트로닉스용 소재의 개발이 필요하다. 100% 분극화된 순수한 스핀의 생성 및 주입은 주로 스핀의 분극을 어떻게 조절하느냐에 달려 있으며, 또한 사용된 반도체 또는 금속 계면에서의 스핀 산란 여부도 중요한 영향을 끼치고 있다.
스핀 극성을 이용하는 spin-FET(spin-polarized field effect transistor)는 기존의 FET에 비해 에너지 소모가 적고 훨씬 빠르게 작동할 뿐 아니라 자기장을 변화시킴으로써 자화 방향을 조절할 수 있고, 또한 동작 중에 기능을 변화시킬 수 있는 추가적인 논리게이트를 구현할 수 있다. 그러나 스핀전류를 강자성체 전극에서 반도체로 주입시키기가 어렵기 때문에 아직까지 완벽한 spin-FET 소자를 만드는 데 한계가 있다.
스핀트로닉스 소자에 있어서, 그래핀을 채널층으로 사용하려는 시도가 있었다. 상기 그래핀은 매우 독특한 에너지 밴드 구조를 가지고 있어, 전자가 마치 질량이 없는 것처럼 이동하고, 기존 실리콘과 비교하여 최고 100배 이상 빠른 전하이동도를 가진다. 또한 그래핀은 초미세 구조 결합(hyperfine coupling)과 스핀 궤도 결합(~1 μeV)이 매우 작은 물질로서 그래핀에 주입된 스핀은 그 위상을 잃어버리지 않고 멀리 이동할 수 있다. 즉 스핀 이완 시간(spin relaxation time, ~1ns)과 스핀 확산 거리(spin diffusion length, ~100㎛)가 길다. 따라서 그래핀은 Dirac point에서는 밴드갭이 없어, 높은 전하이동도를 가지게 되어 스핀트로닉스에서 스핀 전류가 흐르는 스핀채널로서 활용도가 매우 높으나, 전류점멸비가 낮아 트랜지스터의 주요한 기능인 스위칭이 제대로 되지 않으므로 논리 응용에는 적합하지 않다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 채널층에 강유전체층을 접합시킴으로서 채널층의 스위칭을 제어할 수 있는 스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 채널층의 주전하의 종류를 제어하는 것을 통해 전하전류의 방향을 제어하는 스핀-전하 변환 제어 소자 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제에 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 게이트전극; 상기 게이트전극 상에 형성된 강유전체층; 상기 강유전체층 상에 형성된 채널층; 상기 채널층 상에 형성된 터널 배리어층; 상기 터널 배리어층상에 형성된 강자성체층;을 포함하고, 상기 채널층의 주전하의 종류를 제어하여 전하전류의 방향을 제어하는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자에 대하여 개시한다.
여기서 상기 강자성체층에 연결된 줄 발열(Joule heating)을 위한 전류회로를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 강자성체층은 전류가 인가되어 스핀전류를 생성하고, 상기 생성된 스핀전류는 상기 터널 배리어층에서 필터링되고, 상기 필터링된 스핀전류는 상기 채널층에서 전하전류로 변환되고, 상기 변환된 전하전류의 방향은 채널층의 주전하의 종류에 의해 제어되고, 상기 채널층의 주전하의 종류는 상기 강유전체층의 분극과 상기 채널층의 페르미 레벨에 의해 결정되고, 상기 강유전체층의 분극은 상기 게이트전극의 전압 부호와 크기에 의해 결정될 수 있다.
여기서 상기 강자성체층은 줄 발열(Joule heating)되어 스피전류를 생성하고, 상기 생성된 스핀전류는 상기 터널 배리어층에서 필터링되고, 상기 필터링된 스핀전류는 상기 채널층에서 전하전류로 변환되고, 상기 변환된 전하전류의 방향은 채널층의 주전하의 종류에 의해 제어되고, 상기 채널층의 주전하의 종류는 상기 강유전체층의 분극과 상기 채널층의 페르미 레벨에 의해 결정되고, 상기 강유전체층의 분극은 상기 게이트전극의 전압 부호와 크기에 의해 결정될 수 있다.
여기서 상기 채널층의 주전하의 종류는 전자 또는 정공일 수 있다.
여기서 상기 게이트전극 전계의 절대값은 5 내지 25 V/㎛일 수 있다.
여기서 상기 강자성체층은 Co, CoFeB 및 NiFe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
여기서 상기 터널 배리어층은 TiO2, Ti2O3, Al2O3 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
여기서 상기 채널층은 나노선(nano-wire), 그래핀 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
여기서 상기 강유전체층은 PZT, BaTiO3 및 BaFeO3로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
여기서 상기 터널 배리어층의 두께는 0.5 내지 1 nm일 수 있다.
여기서 상기 채널층의 두께는 0.2 내지 0.4 nm일 수 있다.
여기서 상기 강유전체층의 두께는 0.03 내지 4 ㎛일 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 게이트전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계; 상기 강유전체층 상에 채널층을 형성하는 단계; 상기 채널층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계; 및 상기 터널 배리어층 상에 강자성체층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 채널층의 주전하의 종류를 제어하여 전하전류의 방향을 제어하는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조방법에 대하여 개시한다.
여기서 상기 채널층은 건식 전사 공정을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 강유전체층과 이종 접합된 채널층이 삽입되어, 상기 채널층의 주전하를 제어하는 것을 통해, 전하전류의 방향을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 게이트전극 부호를 변환하는 간단한 방법을 통하여, 전하전류의 방향을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자를 도시한 것이다.
도 2는 그래핀의 밴드구조를 도시한 것이다.
도 3은 위상 절연체(Topological insulator, TI) 및 라쉬바 시스템의 밴드 구조를 나타내는 그림이다.
도 4는 역라쉬바-에델스타인 효과(Inverse Rashba-Edelstein effect)를 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층/채널층의 라만 스펙트럼이다.
도 6은 게이트 전압 부호에 따른 그래핀 밴드구조의 변화를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 스핀전류에서 전하전류로 변환되는 과정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층/채널층의 전압에 따른 분극도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층/채널층의 전압-저항 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스핀-전하 변환 제어 소자를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 제벡(Seebeck) 스핀 터널 효과로 제어되는 스핀-전하 변환 제어 소자를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스핀-전하 변환 제어 소자의 스핀-전하전류 변환(conversion)을 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 요지를 통하여 다양한 응용을 할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하의 실시예로 한정되지 않는다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항을 기초로 하여 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 종래 기술을 이용하여 용이하게 치환 또는 변경하는 것이 자명한 부분에까지 미친다.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
<스핀-전하 변환 제어 소자>
본 발명자들은 상술한 과제를 해결하기 위하여 연구한 결과, 하기와 같은 발명을 안출하기에 이르렀다. 본 명세서는 게이트전극(110); 상기 게이트전극(110) 상에 형성된 강유전체층(120); 상기 강유전체층(120) 상에 형성된 채널층(130); 상기 채널층(130) 상에 형성된 터널 배리어층(140); 및 상기 터널 배리어층(140)에 형성된 강자성체층(150);을 포함하는 스핀-전하 변환 제어 소자에 대하여 개시한다.
본 명세서에 있어서, '전하전류'는 정방향의 스핀을 가진 전자와 역방향의 스핀을 가진 전자가 똑같은 방향으로 운동하는 경우에, 스핀의 흐름은 서로 상쇄되고, 남아있는 전하의 흐름을 의미한다.
본 명세서에 있어서, '스핀전류'는 정방향의 스핀을 가진 전자와 역방향의 스핀을 가진 전자가 서로 반대 방향으로 운동하는 경우에, 전하의 흐름은 상쇄되고, 남아있는 스핀의 흐름을 의미한다.
가장 간단한 스핀전류 생성방법은 비자성 물질에 강자성 물질을 접합하고, 이 접합체에 전류를 흘리는 것이다. 이때 스핀이 분극(polarization)되면서 강자성층에서 비자성층 안으로 스핀전류가 생기면서 주입된다. 그러나 스핀전류의 분극률은 각 자성층의 전기전도도에 따라 달라진다. 즉 강자성 금속/비자성 금속, 각 층의 전기전도도가 동일한 경우에는 비자성층 안에 스핀전류를 주입할 수 있다. 반면에 반도체나 유기물 등 고저항 물질에 스핀전류를 주입하면 스핀전류는 대부분 사라져 버린다.
도 1은 본 발명의 스핀-전하 변환 제어소자를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 게이트전극(110), 강유전체층(120), 채널층(130), 터널 배리어층(140) 및 강자성체층(150)을 포함하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 상기 강유전체층(120)은 강유전체로 구성된 층을 말하며, 상기 강유전체란 자연상태에서 전기편극을 가지고 있는 물질을 말한다. 상기 강유전체는 특징적으로 자발분극(spontaneous polarization)을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발분극이 전기장에 의해 역전되는 현상이 나타나는 물성을 가지고 있다. 강유전체는 퀴리온도에서 상전이현상을 보이는데, 상전이온도 아래에서는 전기 쌍극자끼리의 상호작용을 통해 자발분극이 특정한 방향으로 배열하고 있다가 그 온도 이상에서는 열적 요동에 의해 자발분극을 잃게 되는 현상이 나타난다.
본 발명에서 상기 강유전체는 PZT, BaTiO3 및 BaFeO3로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 상기 채널층(130)은 나노선(nano-wire), 그래핀 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따라 그래핀일 수 있다. 상기 그래핀은 단일층이어도 되고, 이중층이어도 된다.
상기 그래핀은 벌집구조의 탄소원자 한 층으로 된 2차원 평면 막을 뜻한다. 이러한 그래핀은 탄소간의 강한 결합인 σ결합이 sp2 혼성궤도를 이루고 남은 하나의 전자가 불완전한 π결합을 이루고 있다. 이로 인하여 그래핀의 밴드구조는 벌집구조의 육각형 꼭지점에 위치한 탄소를 기준으로 전자가 가득 찬 valence 밴드와 전자가 없는 conduction 밴드가 꼭지점에서 만나게 되고 Fermi 준위(Fermi level)에서 Dirac cone이라고 부르는 형태를 띠게 된다.
도 2는 그래핀의 밴드구조를 도시한 것이다. 보다 구체적으로, (a)는 그래핀의 원자가밴드(하부)와 전도밴드(상부)가 원뿔 형태로 만나는 것을 도시한 것이고, (b)는 그 접점부(즉, Dirac cone)를 확대 도시한 것이다. 이러한 밴드 구조상의 특징으로 인하여 그래핀의 전도특성에 관여하는 자유 전하들은 Dirac cone 부근에서 질량이 없는 광자와 비슷한 성질을 가지며 매우 높은 전하 이동도를 갖게 된다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 상기 터널 배리어층(140)은 터널 배리어 물질로 구성된 층을 말하며, 상기 터널 배리어 물질은 2차원 형태를 가진 물질일 수 있고, 보다 구체적으로 TiO2, Ti2O3, Al2O3 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 상기 터널 배리어층(140) 및 상기 채널층(130)을 포함함에 따라 라쉬바 시스템을 나타낼 수 있다.
도 3은 위상 절연체(Topological insulator, TI) 및 라쉬바 시스템의 밴드 구조를 나타내는 그림이다. 구체적으로 (a)는 TI의 밴드 구조를 나타내고, (b)는 라쉬바 시스템의 밴드 구조를 나타낸다. 상기 라쉬바 시스템이란, 라쉬바 효과에 의해 공간 반전 대칭성이 깨진 시스템을 일컫는데, 라쉬바 스핀 궤도 상호작용에 의해 밴드구조가 (b)의 밴드구조를 나타낼 수 있으며, 이는 (a)에서와 유사하게 스핀-모멘텀 커플링(spin-momentum coupled)되어 있는 형태로 나타날 수 있다.
상기 라쉬바 효과란 고체의 표면, 이종 접합 구조의 경계면, 그리고 반전 대칭성이 깨져있는 고체 내부에서 나타나는 운동량과 스핀 방향에 따른 에너지 갈라짐을 뜻한다. 다시 말해, 원자 속 전자는 원자핵을 일정한 궤도로 돌면서(운동량), 스스로 회전(스핀)하는데, 물질의 공간 반전 대칭성이 깨지면, 전자의 운동량과 스핀이 서로 속박 되어, 전자의 강한 스핀-궤도 상호작용에 따라 전자의 밴드구조가 분리되는 현상을 라쉬바 효과라 한다. 이러한 스핀 방향에 따른 에너지 차이는 스핀-궤도 결합과 전위차에 의한 전기장의 상호 작용에 기인한다. 반전 대칭성에 의해 생성된 전기장 하에서 움직이는 전자가 있을 때, 상대론적인 효과에 의해 발현되는 자기장과 전자의 스핀 간의 결합에 의한 에너지 차이로부터 라쉬바 효과를 유도해낼 수 있다. 전자의 스핀은 방향에 따라 업스핀(up spin)과 다운스핀(down spin)으로 나뉘며 서로 대칭된 전자구조를 가지는데, 자기장을 인가하면 이것이 깨지게 되고, 이때 전자들이 특정방향으로 더 잘 흐르는 '방향성' 흐름을 가질 수 있다.
또한 이러한 라쉬바 효과를 이용해 스핀전류를 생성, 검출하는 효과를 라쉬바-에델스타인 효과라고 부르는데, 라쉬바 효과가 2차원 물질(본 발명에서 채널층(130))에 유도되면 라쉬바-에델스타인 효과에 의해 전하전류와 스핀전류가 상호 전환이 가능할 수 있다.
도 4는 역라쉬바-에델스타인 효과(Inverse Rashba-Edelstein effect)를 나타내는 그림이다. 상기 역라쉬바-에델스타인 효과란, 상기 라쉬바-에델스타인 효과와 반대로, 반전 비대칭 라쉬바 시스템에서 스핀의 축적이 스핀 편광 방향에 수직인 평면 전기장을 생성하는 효과를 일컫는다. 도 4를 참조하면, TI 및 라쉬바 시스템에서 y축 방향의 스핀전류가 계면에 쌓일 때 확산에 의한 주입으로 k-space에서 페르미 등가선(contour)들이 이동되고 그에 따라 x축 방향의 전하전류가 생성되는 스핀-전하 변환이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 상기 강자성체층(150)은 강자성체로 구성된 층을 말하며, 상기 강자성체란 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화가 유지되는 물질을 말한다. 즉, 강자성체는 자기장에 의해 생긴 스핀의 정렬이 자기장을 제거해도 유지되는 성질을 가진다. 물질의 자기적 성질을 자성(magnetism)이라고 하며, 자성은 주로 자기모멘트(magnetic moment)에 의해 정해지는데 자유원자의 자기모멘트는 세가지 주요 요인인 전자의 스핀, 핵에 대한 궤도 각운동량, 외부 자기장에 의해 유도된 궤도 각운동량의 변화에서 기인한다. 자화(magnetization)는 단위 부피당 자기모멘트로 정의되며, 자화는 스핀 정렬 상태에 따라, 상자성, 강자성, 반강자성, 준강자성(ferrimagnetism) 등으로 구분할 수 있다. 상기 강자성체는 Co, CoFeB 및 NiFe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
자성체는 외부자기장이 가해지면, 자기장에 수직한 방향으로 자기모멘트가 세차운동을 하며 동시에 감쇠가 진행된다. 여기서 외부자기장에 수직한 방향으로 교류 자기장을 가하면 감쇠를 상쇄하는 방향으로 돌림힘(torque)이 작용하게 된다. 이 때 교류 자기장의 주기가 세차운동의 주기와 일치하게 되면 감쇠를 완전히 상쇄하여 자기모멘트가 세차운동만을 하는 상태가 되고 이를 강자성체공명(ferromagnetic resonance; FMR)이라 한다. 상기와 같은 강자성체공명을 이용하면, 스핀 펌핑을 통해 순수한 스핀전류를 발생시킬 수 있고, 그에 따라 채널층(130) 계면에서 Inverse Rashba-Edelstein 효과(IREE)에 의해 전하전류가 생성되어 측정할 수 있다. 상기 IREE와 관련된 구체적인 내용은 {실시예 및 평가}에서 도면을 예시로 하여 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층(120)/채널층(130)의 라만 스펙트럼이다. 라만 스펙트럼이란, 라만 분광기를 이용하여 물질의 라만 산란을 측정한 것이다. 상기 라만 산란이란, 다른 말로 라만 효과라고 불리며, 단색 광원을 물질에 조사할 때 물질은 조사된 빛의 일부는 흡수하고 일부는 산란되어 방출되게 되는데, 이렇게 산란되어 방출된 빛은 물질의 분자 진동과 관련된 것으로서, 동일한 분자 구조를 가진 물질은 동일한 방출 파장을 갖게 된다. 상기의 방출 파장 신호를 분석한 것이 라만 스펙트럼이다. 특히 탄소결정은 라만 스펙트럼을 통하여, 1) 구조 결함의 유무(1350 cm-1 부근, D밴드), 2) 탄소의 sp2 결합의 유무(1585 cm-1 부근, G밴드), 3) 단일층의 확인(2680 cm-1 부근, 2D밴드) 등을 확인할 수 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층(120)/채널층(130)의 라만 스펙트럼에서는 D밴드는 확인되지 않고, 2D밴드가 G밴드에 비해 현저하게 큰 것을 확인할 수 있는 바, 이는 본 발명에서의 채널층으로서 사용된 그래핀은 1)구조적 결함이 없고, 2) sp2 결합이 존재하며, 3) 단일층인 양질 고순도의 그래핀임을 의미한다.
도 6은 게이트 전압 부호에 따른 그래핀 밴드구조의 변화를 도시한 것이다. 구체적으로 (a)는 전기장 등 외력이 없을 때의 그래핀의 밴드구조를 나타내며, (b)는 양의 전기장이 가해졌을 때의 그래핀의 밴드구조 및 (c)는 음의 전기장이 가해졌을 때의 그래핀의 밴드구조를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 외부에서 양의 전기장이 가해지면 그래핀의 Fermi 준위(페르미 레벨)가 위로 이동하는 것을 확인할 수 있고, 이는 상기 그래핀에 전자가 유도되는 것을 의미하며, 상기 그래핀에 음의 전기장이 가해질 경우 Fermi 준위가 아래로 내려가는 것을 확인할 수 있고, 이는 그래핀에 정공이 유도되는 것을 의미한다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 상기 강자성체층(150)에 전류를 인가하여 스핀전류를 생성하고, 상기 생성된 스핀전류는 상기 터널 배리어층(140)에서 필터링되고, 상기 필터링된 스핀전류는 상기 채널층(130)에서 전하전류로 변환되고, 상기 변환된 전하전류의 방향은 상기 채널층(130)의 주전하의 종류에 의해 제어되고, 상기 채널층(130)의 주전하의 종류는 상기 강유전체층(120)의 분극에 의해 결정되고, 상기 강유전체층(120)의 분극은 상기 게이트전극(110)의 전압 부호에 의해 결정될 수 있다. 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 스핀전류가 생성되고, 상기 스핀전류가 전하전류로 변환되는 과정에 대한 구체적인 내용은 하기의 <스핀-전하 변환 제어 소자의 동작 방법>에서 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 강유전체층(120)의 두께는 상기 강유전체층(120) 내부의 분극을 더욱 효율적으로 유지할 수 있는 두께로 설정하는 것이 바람직하며, 구체적으로 0.03 내지 4 ㎛ 일 수 있다. 상기 강유전체층(120)의 두께가 0.03 ㎛ 미만인 경우, 너무 얇은 두께로 인해 페로브스카이트 구조를 제대로 형성하지 못해서 강유전 특성이 발현되지 않을 수 있고, 반면에 4 ㎛를 초과하는 경우 분극 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 채널층(130)의 두께는 스핀-전하 전류 변환 제어의 효율을 위해 0.2 내지 0.4 nm 로 설정하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 채널층은 일 실시예로서 그래핀일 수 있으며, 상기 그래핀은 단일층 또는 이중층일 수 있다.
본 발명의 터널 배리어층(140)의 두께는 높은 스핀전류 주입 효율을 위해 얇은 두께로 설정하는 것이 바람직하며, 구체적으로 0.5 내지 1 nm일 수 있다. 상기 터널 배리어층(140)의 두께가 0.5 nm 미만인 경우 스핀전류의 터널링이 안정적이지 못한 문제가 발생할 수 있고, 반면에 1 nm를 초과하는 경우, 스핀전류의 주입 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 강자성체층(150)의 두께는 상기 강자성체층(150)의 자화 안정성을 위해 두껍게 설정하는 것이 바람직하며, 구체적으로 10 내지 50 nm 일 수 있다. 상기 강자성체층(150)의 두께가 10 nm 미만 또는 50 nm를 초과하는 경우, 상기 강자성체층(150)의 자화가 안정적으로 유지되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 게이트 전계(Electric field)에 의한 절대값은 5 내지 25 V/㎛일 수 있다. 상기 게이트 전계의 절대값이 5 V/㎛ 미만인 경우, 게이트 전계의 크기가 상기 강유전체층이 포화분극을 형성할 만큼 충분하지 않을 수 있다. 반면에, 상기 게이트 전계의 절대값이 25 V/㎛를 초과하는 경우, 소자 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 상기 게이트 전계와 관련된 구체적인 내용은 이하의 {실시예 및 평가}에서 상세히 설명하도록 한다.
<스핀-전하 변환 제어 소자의 제조 방법>
이하에서는, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조 방법에 대해 개시하고자 한다.
도 7은 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조 과정을 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조 방법은 게이트전극(110) 상에 강유전체층(120)을 형성하는 단계; 상기 강유전체층(120) 상에 채널층(130)을 형성하는 단계; 상기 채널층(130) 상에 터널 배리어층(140)을 형성하는 단계; 상기 터널 배리어(140)층 상에 강자성체층(150)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 게이트전극(110) 상에 강유전체층(120)을 형성하는 방법은 분자선성장법(Molecular beam epitaxy, MBE), 금속 유기물 화학 증착법(MOCVD), 스퍼터(Sputter), 전자빔 증착법 및 이온주입법(ion implantation)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 방법으로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 강유전체층(120) 상에 채널층(130)을 형성하는 단계는 건식 전사 공정을 통해 형성될 수 있다. 상기 건식 전사 공정은 반 데르 발스(van der Waals) 상호작용을 이용하여 채널층(130)을 원하는 기판으로 옮겨 붙이는 방법으로서, 건식 전사 방법에서는 기판과 채널층(130) 사이의 점착력이 채널층(130)과 채널층(130)을 지지하고 있는 캐리어 필름 사이의 점착력보다 크게 유지하는 것이 중요하다.
상기 채널층(130) 상에 터널 배리어(140)층을 형성하는 단계는 기계적 박리법을 통해 수행될 수 있다. 상기 기계적 박리법은 2차원 평면상 물질의 층간에 물리적인 힘을 가하여 박리하는 방법으로 대표적인 예로 주사탐침현미경을 이용하는 방법과 스카치 테이프를 이용한 방법을 들 수 있다. 이러한 방법은 2차원 평면상으로는 강한 공유 결합을 형성하는 반면, 수직인 방향으로는 상대적으로 약한 반데르발스 힘으로 연결되어 있어 층간의 마찰계수가 매우 낮은 2차원 평면상의 물질을 상대적으로 약한 접착력을 이용하여 분리하는 방법이다.
상기 터널 배리어층(140) 상에 강자성체층(150)을 형성하는 단계는 리소그리피(lithography) 공정을 통해 수행될 수 있다. 상기 리소그래피 공정이란, 극히 미세하고 복잡한 전자회로를 반도체 기판에 그려 집적회로를 만드는 기술을 일컫는다. 감광성 수지를 도포한 기판에 포토마스크(원판)를 통해 자외선을 조사하면 포토마스크에 새겨진 IC의 패턴이 포토레지스트에 전사된다. 보다 미세한 패턴을 형성하려면 자외선으로는 한계가 있어 X선이나 전자빔의 응용도 연구되고 있다. 리소그래피 공정의 구체적인 예로는 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 임프린트 리소그래피(Imprint Lithography) 등이 있다.
<스핀-전하 변환 제어 소자의 동작 방법>
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 강자성체층(150)에 전류를 인가하여 스핀전류를 생성하는 단계; 상기 생성된 스핀전류가 터널 배리어층(140)에서 필터링되는 단계; 게이트전극(110)으로부터 강유전체층(120)에 전압을 인가하여 상기 강유전체층(120)을 분극시키는 단계; 및 상기 강유전체층(120)의 분극으로 인해 채널층(130)의 주전하가 결정되는 단계; 및 상기 필터링된 스핀전류가 상기 채널층(130)에서 전하전류로 변환되는 단계;를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에 있어서, 스핀전류에서 전하전류로 변환되는 과정을 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 강자성체층(150)에 전류를 인가하여 스핀전류가 생성되고, 생성된 스핀전류는 터널 배리어층(140)을 통과하면서 y축 방향의 스핀(업스핀 또는 다운스핀)만이 필터링되고, 상기 필터링된 스핀전류를 채널층(130)에 z축 방향으로 인가하면, 상기 채널층(130)에 인가된 스핀전류는 역라쉬바-에델스타인 효과에 의해 상기 터널 배리어층(140) 및 상기 채널층(130) 계면에서 전하전류로 변환되는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 상기의 스핀-전하 변환 제어 소자의 동작 방법을 각 단계 별로 세분화하여 설명하고자 한다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 동작 방법은 강자성체층(150)에 전류를 인가하여 스핀전류를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 강자성체층(150)은 상술한대로 자기장에 의해 생긴 스핀의 정렬이 자기장을 제거해도 유지되는 성질을 나타내는데, 앙페르의 법칙에 따라 전류가 흐르면 자기장이 발생하여 이로 인해 상기 강자성체층(150)에 스핀 분극이 유도되고, 이에 따라 스핀전류가 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 동작 방법은 상기 생성된 스핀전류가 터널 배리어층(140)에서 필터링되는 단계를 포함한다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 강자성체층(150)에서 생성된 스핀전류는 상기 터널 배리어층(120)을 통과함으로써, y축 방향으로 향하는 스핀전류만을 필터링하고, 상기 y축 방향으로 향하는 스핀전류를 채널층(130)에 z축 방향으로 주입할 수 있다. 상기 터널 배리어층(140)으로부터 z축 방향으로 주입받은 y축 방향의 스핀전류는 상기 터널 배리어층(140)과 상기 채널층(130)의 계면에서 역라쉬바-에델스타인 효과(Inverse Rashba-Edelstein effect)에 의해 x축 방향의 전하전류로 변환될 수 있다.
또한, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 동작 방법은 게이트전극(110)으로부터 강유전체층(120)에 전압을 인가하여 상기 강유전체층(120)을 분극시키는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 강유전체의 분극을 제어함으로써, 채널층(130)의 주전하의 종류(정공 또는 전자)를 제어할 수 있다. 상기 채널층(130)의 주전하가 전자일 경우, -x축 방향(0)의 전하전류가 유도되고, 상기 채널층(130)의 주전하가 정공일 경우, +x축 방향(1)의 전하전류가 유도될 수 있다. 도 7(a)는 상기 채널층(130)과 접합된 상기 강유전체층(120)의 계면에 +분극이 유도되어 상기 채널층(130)의 주전하는 전자가 되고, 이에 상기 강유전체층(120)과 접합된 상기 채널층(130)의 계면에는 다운스핀이 축적됨에 따라 -방향의 전류(0)이 흐르는 것을 나타내고, 도 7(b)는 상기 채널층(130)과 접합된 상기 강유전체층(120)의 계면에 -분극이 유도되어 상기 채널층(130)의 주전하는 정공이 되고, 이에 상기 강유전체층(120)과 접합된 상기 채널층(130)의 계면에는 업스핀이 축적됨에 따라 +방향의 전류(1)이 흐르는 것을 나타낸다.
상기 강유전체의 분극은 상기 게이트전극(110)의 부호에 의해 결정될 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 게이트 전계 부호에 따라 강유전체층(120) 분극 방향이 제어하여 채널층(130)의 주전하의 종류를 제어함에 따라 강유전체층(120) 및 채널층(130) 계면에서의 라쉬바 스핀 효과를 제어할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 게이트전극(110)에 +전압을 인가하면, 상기 강유전체층(120)에 있어서, 상기 게이트전극(110)과 인접한 부분은 -로 분극되고, 상기 채널층(130)과 인접한 부분은 +로 분극되고, 상기 채널층(130)의 주전하는 전자가 된다. 이에 따라, 상기 터널 배리어층(140) 및 상기 채널층(130)의 계면에는 다운스핀이 축적됨에 따라 -방향의 전류(0)가 흐를 수 있다. 반대로, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 게이트전극(110)에 -전압을 인가하면, 상기 강유전체층(120)에 있어서, 상기 게이트전극(110)과 인접한 부분은 +로 분극되고, 상기 채널층(130)과 인접한 부분은 -로 분극되어, 상기 채널층(130)의 주전하는 정공이 된다. 이에 따라, 상기 터널 배리어층(14) 및 상기 채널층(130)의 계면에는 업스핀이 축적됨에 따라 +방향의 전류(0)이 흐를 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층(120)/채널층(130)의 전압에 따른 분극을 나타내는 그래프이다. 본 발명의 일 실시예로서, 상기 강유전체층(120)은 PZT를 사용하였고, 상기 채널층(130)은 그래핀을 사용하였다. 도 9를 참조하면, 가해주는 게이트 전압의 크기가 커질수록 PZT의 분극도가 큰 값을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 강유전체층(120)/채널층(130)의 전압-저항 그래프이다. 도 10을 참조하면, 강유전체층(120)으로서 사용된 PZT의 강유전체 특성에 의해 게이트 전압을 가해주는 부호와 크기에 따라 채널층(본 발명의 일 실시예로서 그래핀)의 Dirac point(최대저항값) 피크가 각각 + 또는 -로 shift되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 게이트 전압의 부호가 +인 경우, 본 발명의 채널층(130)은 -전압, 즉 전자가 유도된 것을 확인할 수 있고, 게이트 전압의 부호가 -인 경우, 본 발명의 채널층(130)은 +전압, 즉 정공이 유도된 것을 확인할 수 있다. 또한, 게이트 전압의 크기가 커질수록 Dirac point의 두 피크의 델타(Δ)값이 커지는 것을 확인할 수 있다. 상기 Dirac point 피크의 델타값은 상술한 강유전체층(120)의 분극도에 의해 유도된 것일 수 있다.
<제벡(Seebeck) 스핀 터널 효과를 이용한 스핀-전하 변환 제어 소자>
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 상기 강자성체층(150)에 줄 발열(Joule heating)을 통한 제벡(Seebeck) 스핀 터널 효과에 의해 스핀전류를 생성하는 것을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자가 제벡 스핀 터널 효과를 이용하기위해서는 상기 강자성체층(150)에 줄 발열(Joule heating)을 위한 전류회로가 더 포함될 수 있으며, 제벡 스핀 터널 효과를 이용하는 스핀-전하 변환 제어 소자의 구체적인 예는 이하의 {실시예 및 평가}에서 도면을 예시로 들어 설명하도록 한다.
제벡효과(seebeck effect)는 열전 효과의 대표적인 현상으로, 상기 열전 효과란 열을 흘렸을 때 발생하는 전기적 현상 또는 전기를 흘렸을 때 발생하는 열적 현상을 말한다.
상기 제벡(Seebeck) 스핀 터널 효과란, spin caloritronics라는 자성 도체에 온도차가 존재할 때 스핀전류가 발생하는 것으로 공간적으로 균일하지 않은 스핀 축적이 스핀전류를 발생시키는 것을 말한다. 다시 말해, 강자성체에 전류를 흘리면, 상기 강자성체의 양단에 온도차가 발생하게 되고, 상기 온도차에 의해 상기 강자성체 내부에서 업 스핀과 다운 스핀의 화학적 퍼텐셜 차이가 생겨, 업 스핀과 다운 스핀의 제벡(Seebeck) 계수에 차이로 인해, 온도의 구배(temperature gradient) 방향으로 스핀전류가 생성되게 된다.
상기 제벡 스핀 터널 효과는 상기 강자성체에 전류가 흐름에 따라 줄 발열(Joule heating) 현상에 의한 것일 수 있다.
줄 발열(Joule heating)은 다른 말로 옴 발열 또는 저항적 발열이라 하며, 도체에 전류가 흐름으로 인해 열이 발생하는 과정을 말한다. 줄 발열은 전류를 이루고 있는 이동 입자(전자)와 도체를 구성하고 있는 원자 이온 사이의 상호작용에 의해 발생된다. 전자 회로 내에서 극성이 부여된 입자들은 전기장에 의해 가속되지만, 이온들과 충돌할 때마다 운동에너지를 잃게 되고 반대로 이온의 에너지는 증가한다. 이러한 과정을 통해 이온의 운동에너지 또는 진동에너지가 증가하게 되면 그것이 열로 나타나고 도체의 온도가 높아질 수 있다.
이하, 첨부한 도면 및 실시예들을 참조하여 본 명세서가 청구하는 바에 대하여 더욱 자세히 설명한다. 다만, 본 명세서에서 제시하고 있는 도면 내지 실시예 등은 통상의 기술자에 의하여 다양한 방식으로 변형되어 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 본 발명에서의 기재사항은 본 발명을 특정 개시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하고 있는 것으로 보아야 한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명을 통상의 기술자로 하여금 더욱 정확하게 이해할 수 있도록 돕기 위하여 제시되는 것으로서 실제보다 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
{실시예 및 평가}
<실시예>
실시예 1
강자성체층으로서 Co를 증착시킨 후, 상기 Co 상에 터널 배리어층으로서 MgO를 증착 시켰다. 이후, 상기 MgO 상에 채널층으로서 그래핀을 건조 전사 공정으로 도입시킨 다음, 상기 그래핀 상에 강유전체층으로서 PZT를 증착시켰다. 이후 PZT 상에 채널 전극으로서 Pt를 증착시켜, 스핀-전하 변환 제어 소자를 제조하였다(이하 "실시예 1"이라 함).
상기 실시예 1에 따라 제조된 스핀-전하 변환 제어 소자를 도 11에 도시하였다. 보다 구체적으로, (a)는 전하전류(0)를 도출하는 스핀-전하 제어 소자를 나타내고, (b)는 전하전류(1)를 도출하는 스핀-전하 제어 소자를 나타낸다.
실시예 2
게이트전극으로서 Pt를 증착시킨 후, 강유전체로서 PZT를 annealing하여 도입하였다. 이후 상기 PZT 상에 채널층으로서 그래핀을 건조 전사 공정을 통해 도입시킨 다음, 상기 그래핀의 일부만 접촉되도록 중앙부에 폭 3 mm 정도 공간을 두고, 그래핀 가로 양단 각각에 채널 전극을 증착시켰다. 채널 전극을 증착시킨 후, 상기 채널 전극과는 접촉되지 않도록 상기 그래핀 상에 터널 배리어층으로서 MgO를 증착시켰다. 이후 상기 MgO 상에 강자성체층으로서 Co를 상기 MgO 보다 좁은 폭으로 전사시켜 스핀-전하 변환 제어 소자를 제조하였다(이하 "실시예 2"라 함).
상시 실시예 2에 따라 제조된 스핀-전하 변환 제어 소자를 도 12에 도시하였다. 도 12에 도시된 스핀-전하 변환 제어 소자는 강자성체에 열을 주입해 줄 발열(Joule heating)에 의해 상기 강자성체층에서 스핀전류를 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, (a)는 전하전류(0)를 도출하는 스핀-전하 제어 소자를 나타내고, (b)는 강자성체층에 열 주입을 위한 전류 회로가 연결되어 줄 발열에 의한 제벡(Seebeck) 스핀 터널링 효과에 따라 스핀전류가 생성되고, 상기 생성된 스핀전류는 강유전체의 분극에 따라 방향이 결정된 전하전류(1)을 도출하는 스핀-전하 제어 소자를 나타낸다.
<평가>
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스핀-전하 변환 제어 소자의 스핀-전하 변환(conversion)을 측정한 그래프이다. 보다 구체적으로, (a)는 자기장(H) 값에 따른 강자성체공명(Ferromagnetic resonance; FMR) 값을 측정한 그래프이고, (b)는 자기장(H) 값에 따라 역 라쉬바-에델스타인(Inverse Rashba-Edelstein) 효과에 의해 생성된 전하전류의 전압을 측정한 그래프이고, (c)는 (a)에서 측정된 자기장 값을 하기 수학식에 대입하여 도출한 Asymmetric Magnetoresistance(이하 AMR)에 의한 전압값 및 Symmetric Magmetoresistance(이하 스핀 펌핑)에 의한 전압값을 도시한 그래프이다.
상기 수학식에서 V(H)는 자기장에 의한 총 전압값을 나타내고, V0는 초기 전압값, Vsym 값은 스핀 펌핑에 의한 전압값, 및 Vasy는 AMR에 의한 전압값이다. β는 (a)그래프에서 -피크 및 +피크가 발생한 H값의 차를 의미하고, Hres는 (a)그래프에서 -피크 및 +피크가 발생한 H값의 중간값을 의미한다. 상기 수학식을 이용하면, 자기장(H) 값에 따른 FMR을 스핀 펌핑에 의한 수치 및 AMR에 의한 수치로 분리시킬 수 있다. 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자의 경우, 상술한 바대로 스핀 펌핑을 통해 순수한 스핀전류를 발생시킬 수 있고, 그에 따라 채널층(130) 계면에서 전하전류가 변환되는 효과를 가지므로, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자를 통해 변환된 전하전류의 전압은 상기 식으로부터 도출된 상기 스핀 펌핑에 의한 전압과 유사한 값을 가질 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 수학식을 통해 도출된 (c)그래프에서 스핀 펌핑에 의한 전압, 즉 Vsym 피크는 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자에서 생성된 전하전류의 전압을 측정한 (b)그래프와 매우 유사한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 강자성체층(150)에 전류를 인가하여 스핀 펌핑을 통해 순수한 스핀전류를 발생시킬 수 있고, 그에 따라 채널층(130) 계면에서 Inverse Rashba-Edelstein 효과(IREE)에 의해 전하전류가 생성되었음을 의미한다.
본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 강유전체층(120)과 이종 접합된 채널층(130)이 삽입되어, 상기 채널층(130)의 주전하를 제어하는 것을 통해 전하전류의 방향을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 스핀-전하 변환 제어 소자는 게이트전극(110) 부호를 변환하는 간단한 방법을 통하여, 전하전류의 방향을 제어할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 게이트전극
120 : 강유전체층
130 : 채널층
140 : 터널 배리어층
150 : 강자성체층

Claims (15)

  1. 게이트전극;
    상기 게이트전극 상에 형성된 강유전체층;
    상기 강유전체층 상에 형성된 채널층;
    상기 채널층 상에 형성된 터널 배리어층; 및
    상기 터널 배리어층상에 형성된 강자성체층;을 포함하고,
    상기 채널층의 주전하의 종류를 제어하여 전하전류의 방향을 제어하는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체층에 연결된 줄 발열(Joule heating)을 위한 전류회로를 더 포함하는, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체층은 전류가 인가되어 스핀전류를 생성하고,
    상기 생성된 스핀전류는 상기 터널 배리어층에서 필터링되고,
    상기 필터링된 스핀전류는 상기 채널층에서 전하전류로 변환되고,
    상기 변환된 전하전류의 방향은 상기 채널층의 주전하의 종류에 의해 제어되고,
    상기 채널층의 주전하의 종류는 상기 강유전체층의 분극과 상기 채널층의 페르미 레벨에 의해 결정되고,
    상기 강유전체층의 분극은 상기 게이트전극의 전압 부호와 크기에 의해 결정되는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 강자성체층은 줄 발열(Joule heating)되어 스핀전류를 생성하고,
    상기 생성된 스핀전류는 상기 터널 배리어층에서 필터링되고,
    상기 필터링된 스핀전류는 상기 채널층에서 전하전류로 변환되고,
    상기 변환된 전하전류의 방향은 상기 채널층의 주전하의 종류에 의해 제어되고,
    상기 채널층의 주전하의 종류는 상기 강유전체층의 분극과 상기 채널층의 페르미 레벨에 의해 결정되고,
    상기 강유전체층의 분극은 상기 게이트전극의 전압 부호와 크기에 의해 결정되는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층의 주전하의 종류는 전자 또는 정공인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트전극 전계의 절대값은 5 내지 25 V/㎛인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성체층은 Co, CoFeB 및 NiFe로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널 배리어층은 TiO2, Ti2O3, Al2O3 및 MgO로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층은 나노선(nano-wire), 그래핀 및 카본나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전체층은 PZT, BaTiO3 및 BaFeO3로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널 배리어층의 두께는 0.5 내지 1 nm인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층의 두께는 0.2 내지 0.4 nm인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 강유전체층의 두께는 0.03 내지 4 ㎛인, 스핀-전하 변환 제어 소자.
  14. 게이트전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계;
    상기 강유전체층 상에 채널층을 형성하는 단계;
    상기 채널층 상에 터널 배리어층을 형성하는 단계; 및
    상기 터널 배리어층 상에 강자성체층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 채널층의 주전하의 종류를 제어하여 전하전류의 방향을 제어하는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 채널층은 건식 전사 공정을 통해 형성되는 것인, 스핀-전하 변환 제어 소자의 제조방법.
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KR20190139741A (ko) * 2018-06-08 2019-12-18 이화여자대학교 산학협력단 저항 스위칭성 소자 및 상기 소자를 포함하는 광전 디바이스

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