WO2024258115A1 - 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체 - Google Patents

낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체 Download PDF

Info

Publication number
WO2024258115A1
WO2024258115A1 PCT/KR2024/007800 KR2024007800W WO2024258115A1 WO 2024258115 A1 WO2024258115 A1 WO 2024258115A1 KR 2024007800 W KR2024007800 W KR 2024007800W WO 2024258115 A1 WO2024258115 A1 WO 2024258115A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thin film
single crystal
copper thin
crystal copper
hall effect
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2024/007800
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
정세영
김수재
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University Industry Cooperation Foundation of Pusan National University
Original Assignee
University Industry Cooperation Foundation of Pusan National University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020240073380A external-priority patent/KR102819218B1/ko
Application filed by University Industry Cooperation Foundation of Pusan National University filed Critical University Industry Cooperation Foundation of Pusan National University
Priority to EP24823635.8A priority Critical patent/EP4727322A1/en
Publication of WO2024258115A1 publication Critical patent/WO2024258115A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/80—Constructional details
    • H10N52/85—Materials of the active region

Definitions

  • the present invention relates to a single-crystal copper thin film and a single-crystal copper thin film semiconductor that utilizes the phenomenon in which holes, rather than electrons, become carriers when grain boundaries are removed in a copper thin film having a thickness of 200 nm or less, and more specifically, to a copper thin film and a single-crystal copper thin film semiconductor whose electrical properties are changed to a form similar to a p-type semiconductor under specific conditions.
  • Copper has an electron concentration of 10 23 /cm 3 and a room temperature resistivity of 1.72 X 10 -8 ⁇ cm , which makes it the second highest electrical conductivity after silver (Ag). Therefore, copper is mainly used as an electrode or a conductor that carries current, and it is difficult to perform a special purpose function.
  • semiconductors can have electrons as the main transporter (n-type) depending on the type, but can also have holes as the main transporter (p-type).
  • n-type semiconductor and p-type semiconductor are joined to form a p-n junction, the flow of current becomes asymmetric, which is an important characteristic that can be utilized as a device.
  • n-type and p-type characteristics can be implemented using only copper, it could be a technological invention that would allow electrode and element functions to be achieved simultaneously using only copper without introducing semiconductor materials.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to manufacture a copper thin film that can implement n-type and p-type characteristics using only copper by modifying the copper electron orbital to solve the defects of general copper.
  • a single crystal copper thin film including nonlinear Hall effect and hole carrier dominant transport phenomenon in a two-dimensional single crystal thin film with suppressed grain boundaries according to the present invention
  • the single crystal copper thin film is characterized by a nonlinear behavior of Hall resistance according to a magnetic field.
  • the single crystal copper thin film is characterized by growing copper by atomic ASE on a sapphire substrate.
  • the single crystal copper thin film is characterized in that the Hall resistance exhibits nonlinear behavior as the temperature changes.
  • the single crystal copper thin film is characterized by a nonlinear behavior of Hall resistance according to a magnetic field.
  • the single crystal copper thin film is characterized by growing copper by atomic ASE on a sapphire substrate.
  • the single crystal copper thin film is characterized in that the Hall resistance exhibits nonlinear behavior as the temperature changes.
  • It is characterized by being manufactured by growing a copper thin film by RF sputtering copper at 160 to 180°C.
  • the initial pressure of the RF sputtering is characterized as being 2.0 ⁇ 10 -3 to 2.5 ⁇ 10 -3 Pa.
  • the RF sputtering is characterized in that it is performed in an Ar gas atmosphere.
  • the RF sputtering is characterized by controlling the pressure by injecting Ar gas at 0.3 to 0.7 Pa.
  • the RF output of the RF sputtering is characterized as being 23 to 27 W.
  • the rotation speed of the RF sputtering is characterized as being 25 to 35 RPM.
  • the present invention can solve the defects of general copper, lengthen the mean free path of electrons, thereby changing the structure of the Fermi surface where the existing electrons stay, thereby modifying the orbit of the electrons.
  • the present invention can manufacture a copper thin film that is configured to implement n-type and p-type characteristics using only copper by modifying the copper electron orbital.
  • Figure 1 is a graph measuring the Hall effect of general copper or 3D bulk copper.
  • Figure 2 is a Fermi surface of 3D copper, with a ring pattern to induce asymmetric magnetoresistance according to the forward (a) and reverse (b) directions of the current.
  • Figure 3 is a surface view of the Fermi surface of 2D copper in a periodic zone scheme.
  • Figure 4 shows (a) the Fermi surface obtained from a 2D single crystal copper thin film by ARPES measurement, and (b) the energy axis representing the result measured in the direction of the orange arrow in (a).
  • Figure 5 is a graph showing the Hall effect measurement results of single crystal copper films of various thicknesses, including the results of nonlinear Hall effect measurements of polycrystalline copper (PCCF) with a thickness of 82 nm (a), 205 nm (b), 80 nm (c), 40 nm (d), 12 nm (e), and 10 nm (f) thick SCCF.
  • PCCF polycrystalline copper
  • Figure 6 shows EBSD (column 1), misorientation lines (column 2), Hall effect measurements (column 3), and grain boundary (GB) and twin boundary (TB) diagrams (column 4) of a 40 nm thick thin film, including a polycrystalline film (a), a film close to a single crystal grown by the ASE method with different GB control results (b) to (d), and a completely single crystal film without any grain boundaries (e).
  • a single crystal copper thin film including a nonlinear Hall effect and a hole carrier-dominant transport phenomenon in a two-dimensional single crystal thin film with suppressed grain boundaries comprises a single crystal copper thin film having a thickness of 200 nm or less, characterized in that the grain boundaries are suppressed. More specifically, it can be confirmed that the single crystal copper thin film having a thickness of 40 nm or less exhibits the most effective suppression of grain boundaries.
  • the above single crystal copper thin film is characterized by a nonlinear behavior of Hall resistance depending on a magnetic field.
  • the above single crystal copper thin film is characterized by growing copper by atomic ASE on a sapphire substrate.
  • the above single crystal copper thin film is characterized by nonlinear behavior of Hall resistance as temperature changes.
  • a single crystal copper film having a thickness of 200 nm or less wherein the single crystal copper film is characterized in that grain boundaries are suppressed and electrical characteristics are transformed into p-type. More specifically, it can be confirmed that a single crystal copper film having a thickness of 40 nm or less exhibits the most effective suppression of grain boundaries.
  • the above single crystal copper thin film is characterized by a nonlinear behavior of Hall resistance depending on a magnetic field.
  • the above single crystal copper thin film is characterized by growing copper by atomic ASE on a sapphire substrate.
  • the above single crystal copper thin film is characterized by nonlinear behavior of Hall resistance as temperature changes.
  • It is characterized by being manufactured by growing a copper thin film by RF sputtering copper at 160 to 180°C. More specifically, it is preferable to grow a copper thin film by RF sputtering at 170°C.
  • the initial pressure of the above RF sputtering is characterized as being 2.0 ⁇ 10 -3 to 2.5 ⁇ 10 -3 Pa. More specifically, it is preferably 2.3 ⁇ 10 -3 Pa.
  • the RF sputtering is characterized in that it is performed in an Ar gas atmosphere.
  • the RF sputtering is characterized by controlling the pressure by injecting Ar gas from 0.3 to 0.7 Pa. More specifically, it is preferable that it is 0.5 Pa.
  • the RF output of the RF sputtering is characterized as being 23 to 27 W. More specifically, it is preferably 25 W.
  • the rotation speed of the RF sputtering is characterized as being 25 to 35 RPM. More specifically, it is preferable that it is 30 RPM.
  • the present invention relates to a single crystal copper thin film that utilizes the phenomenon in which holes, instead of electrons, become carriers when grain boundaries are removed from a copper thin film having a thickness of 200 nm or less, and is a copper thin film whose electrical properties are changed to a form like a p-type semiconductor under specific conditions.
  • This can be performed by completely resolving defects of general copper and changing the electron orbit by lengthening the mean free path of electrons and creating a different structure of the Fermi surface where existing electrons stay.
  • a single crystal copper thin film including a nonlinear Hall effect and a hole carrier-dominant transport phenomenon in a two-dimensional single crystal thin film with suppressed grain boundaries comprises a single crystal copper thin film having a thickness of 200 nm or less, characterized in that the grain boundaries (hereinafter referred to as GBs) are suppressed.
  • the single crystal copper thin film is characterized by a nonlinear behavior of Hall resistance according to a magnetic field.
  • the single crystal copper thin film is characterized by growing copper by atomic ASE on a sapphire substrate.
  • the Hall effect when the Hall effect is measured in copper, it is linear. This is because there is only one carrier, which means that the Hall resistance increases linearly as the magnetic field increases and does not change much with temperature.
  • Fig. 1 the Hall effect of general copper or 3D bulk copper is shown, and it can be seen that the Hall resistance increases linearly as the magnetic field increases.
  • Solid-state electronic devices including transistors, diodes, and various sensors, utilize the flow and control of conduction electrons in semiconductor channels and metal electrodes.
  • the electronic band structure near the Fermi surface determines the behavior of conduction electrons, which is a key feature utilized in device applications and design. Accordingly, the polarity, density, and mobility of charge carriers have been manipulated and optimized for semiconductors.
  • effective design of electronic properties has not been applied to other important electronic components, such as noble metals such as copper (Cu), which conceptually limits the full potential of the material for new devices.
  • the frequency of collisions between electrons and GBs is significantly reduced, the mean free path is lengthened, and since electrons sufficiently circle the outermost Fermi surface, they behave as holes by circling the hole pocket in the reciprocal lattice space.
  • HCD hole-carrier dominated
  • SCCFs single-crystal filaments
  • GB density can be strongly suppressed in 2D copper fabricated by atomic sputtering epitaxy (ASE) system.
  • ASE atomic sputtering epitaxy
  • twin boundaries twin boundaries
  • a rigorous characterization of the electronic band structure of 2D copper has been performed by structural analysis, angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements, and Hall measurements with two-carrier model fitting analysis.
  • the GB suppression in 2D single-crystal filaments indicates hole-carrier dominated (HCD) transport.
  • HCD hole-carrier dominated
  • ARPES angle-resolved photoemission spectroscopy
  • Fig. 2(a) shows the Fermi surface of bulk single crystal copper, and when the bulk (3D) single crystal copper becomes 2D, it shows a pattern like Fig. 2(b). If copper has an ideal single crystal structure, electrons will circle the outermost surface of Fig. 2(b), and when this is represented as a picture of a periodic reciprocal lattice space, it will look like Fig. 3.
  • Fig. 4(a) accurately experimentally represents the theoretical model of 2D single crystal copper predicted in Fig. 3.
  • the hexagonal orbit at the bottom of Fig. 3(a) represents the electron orbit
  • the triangle orbit visible at the right or left shoulder position represents the hole orbit.
  • Fig. 4(b) measures the energy distribution in the k x direction along the orange arrow direction in Fig. 4(a), and here, the electron orbit (blue dotted line) and the hole orbit (yellow dotted line) are observed very clearly.
  • a shaped Fermi surface is predicted near the K-point as shown in Fig. 2(b).
  • the Fermi surface in the center (inner ring) has electron orbitals (scaled by eH/ ⁇ c) with higher potential energy and lower Fermi velocity than the outermost surfaces, and the carriers in these orbitals are electrons.
  • the outermost concave-shaped Fermi surface has negative curvature , resulting in hole carriers.
  • Fig. 5 is a measurement of how the Hall resistance changes according to the magnetic field through the Hall measurement, and unlike Fig. 1, it shows a nonlinear behavior instead of a linear behavior. This nonlinear behavior appears more clearly as the temperature decreases. In addition, this nonlinear behavior appears in the single crystal copper thin film starting from a thickness of 200 nm or less, and appears without exception up to a 10 nm thick film. In particular, the nonlinearity appears most clearly at a thickness near 40 nm.
  • the HCD transport was directly investigated to measure the nonlinear Hall effect (NHE) of 2D copper.
  • NHE nonlinear Hall effect
  • the Fermi surface of copper originates from the s-band similar to the free electrons, whereas the fully filled d electrons do not contribute to the electron bands near the Fermi level.
  • the s-band characteristic of copper ensures sufficiently high conductivity and a Fermi velocity up to 1.1 ⁇ 10 6 m/s, which is color-mapped and shown in Fig. 2(a).
  • the 3D single-crystal copper behaves identically to the polycrystalline copper film (PCCF) in the 2D limit.
  • PCCF polycrystalline copper film
  • 3D copper also has a concave Fermi surface, this region is very narrow and does not lead to a purely hole-like orbital in the periodic regime. Therefore, it is difficult to observe hole carriers in bulk copper.
  • 2D single crystal crystalline film (SCCF) samples show different behavior in the 2D regime.
  • the conventional Hall effect which exhibits a linear response to an external magnetic field, changes into the nonlinear Hall effect (NHE).
  • NHE nonlinear Hall effect
  • the conventional Hall effect exhibits a deviation from the linear dependence on the external magnetic field, which is called the conventional Hall effect.
  • the nonlinearity at low temperature starts at a thickness of 205 nm and becomes more pronounced at thicknesses of 80 nm (Fig. 5(c)) and 40 nm (Fig. 5(d)), and is slightly suppressed in thin samples of 12 nm (Fig. 5(e)) and 10 nm (Fig. 5(f)), approaching the limit of thin film growth.
  • Example 1 Fabrication of single crystal copper thin film using ASE technology
  • Cu thin films were fabricated with high-quality crystallinity as GB-free single crystals and GB density-controlled single crystals using ASE technology.
  • the ASE system is a modified RF sputtering system that uses a single-crystal sputtering target, replaces the conventional electrical conductor with a single-crystal conductor, and improves the mechanical noise reduction (MNR) system.
  • MNR mechanical noise reduction
  • the optimal growth temperature is approximately 170 °C and varies by ⁇ 10 °C depending on the system.
  • thin films with 40 nm thick GBs were grown at 100 °C, which is intentionally lower than the optimal temperature, and the number of GBs was controlled through additional heat treatment.
  • the number of GBs and TBs was obtained very accurately by EBSD mapping using the misorientation line distribution in the RD mode.
  • Ar gas (99.9999%, 6 N) was used as the deposition atmosphere.
  • the relationship between the deposition time and the film thickness (or average growth rate) was determined from the average deposition time of the 200 nm-thick film grown under the optimal conditions.
  • the determined average growth rate of ⁇ 4.3 nm/min is quite reliable for film thicknesses above 10 nm.
  • the initial pressure of RF sputtering was 2.3 ⁇ 10 -3 Pa, and the operating pressure was controlled by injecting argon gas (99.9999%) up to 0.5 Pa.
  • the RF power was 25 W, and the rotation speed was 30 RPM.
  • the film thickness was controlled by the deposition time and characterized by atomic force microscopy (AFM).
  • ADF atomic force microscopy
  • the atomic structure of the cross-sectional copper films was observed in annular dark-field (ADF) imaging mode using an aberration-corrected scanning transmission electron microscope (STEM, JEM-ARM200CF, JEOL) operated at 200 kV with a probe forming angle of ⁇ 23.
  • STEM annular dark-field
  • JEM-ARM200CF JEM-ARM200CF, JEOL
  • the angular range of the ADF detector was set to 45-170 mrad.
  • EBSD images were obtained using a SUPRA40 VP system (Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany) equipped with a fully automated instrument attachment including an EDAX-TSL Hikari EBSD detector.
  • EBSD maps were acquired using a spatial step size of 80 nm on a hexagonal grid. The area size of a single mapping was approximately 174.3 ⁇ m 2 .
  • the average confidence index of the Kikuchi maps during the EBSD scans was typically between 0.80 and 0.90. However, the index was as low as 0.7 for the polycrystalline Cu film.
  • Misorientation statistics were derived from the EBSD maps using TSL OIM analysis v7 (Ametek, Inc). The segment between two adjacent points was considered as a boundary when the misorientation was greater than 1°.
  • misorientation map boundaries with misorientation angles between 0 and 59° are indicated by blue lines corresponding to GBs, and boundaries with misorientation angles of 60° are indicated by red lines, which are associated with TBs of the face-centered cubic (FCC) (111) structure.
  • FCC face-centered cubic
  • High-resolution ARPES measurements were performed at beamline 4.0.3 of the Advanced Light Source (ALS).
  • the Cu films were annealed in ultra-high vacuum at pressures higher than 5 ⁇ 10 -10 Torr and measured at 10 K at pressures higher than 5 ⁇ 10 -11 Torr.
  • the overall energy and angular resolution were set to better than 20 meV and 0.1°, respectively.
  • polycrystalline thin films with many GBs and single crystal thin films with different GB concentrations were prepared and compared.
  • the first column is EBSD measurements for 40 nm thick thin films
  • the second column is a table showing the number of GBs and the number of twin boundaries (hereinafter TB) by measuring misorientation lines in the rightmost column
  • the third column presents the results of Hall effect measurements for each sample.
  • (a) is the experimental result for a polycrystalline thin film with a GB concentration of 10 2 / ⁇ m 2 or higher, and single crystal thin films grown by the ASE method by controlling the concentration of 10 1 / ⁇ m 2 (b), 10 0 / ⁇ m 2 (c), 10 -1 / ⁇ m 2 (d), and 0 (e) formed by heat-treating at different temperatures.
  • samples (b) to (d) with significantly reduced GBs are perfectly aligned along the (111) direction out of the plane, but some GBs (blue lines in column 2) still exist in the in-plane direction, and the most strongly nonlinear behavior is shown in sample (e) where GBs have completely disappeared.
  • the red lines in column 2 are TBs, and since the two adjacent orientations satisfy the symmetry, they do not significantly affect the electron motion.
  • the present invention can solve the defects of general copper, lengthen the mean free path of electrons, thereby changing the structure of the Fermi surface where the existing electrons stay, thereby modifying the orbit of the electrons.
  • the present invention can manufacture a copper thin film that is configured to implement n-type and p-type characteristics using only copper by modifying the copper electron orbital.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명은 두께 200 ㎚ 이하의 구리 박막에서 낱알 경계 (Grain boundary: GB)를 제거한 경우 전자가 수송자가 아닌 홀이 수송자가 되는 현상을 이용한 단결정 구리 박막 및 단결정 구리박막 반도체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 조건하에서 p-type 반도체와 같은 형태로 전기적 특성이 바뀐 구리 박막 및 단결정 구리박막 반도체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막은, 두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되, 낱알 경계가 억제된 것을 특징으로 한다.

Description

낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체
본 발명은 두께 200 ㎚ 이하의 구리 박막에서 낱알 경계를 제거한 경우 전자가 수송자가 아닌 홀이 수송자가 되는 현상을 이용한 단결정 구리 박막 및 단결정 구리박막 반도체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특정 조건하에서 p-type 반도체와 같은 형태로 전기적 특성이 바뀐 구리 박막 및 단결정 구리박막 반도체에 관한 것이다.
구리 내 수송자가 전자(electron)라는 것은 매우 잘 알려져 있다. 구리는 1023/㎤ 의 전자 농도와 1.72 X 10-8 Ω㎝의 상온 저항을 나타내므로 은(Ag) 다음으로 높은 전기전도도를 갖기 때문에 구리는 전극이나 전류를 흘리는 도체로써 주로 사용되고 있고, 특별한 목적의 기능을 하기는 어렵다.
반면, 반도체는 타입에 따라 주 수송자가 전자인 경우(n-type)도 있지만, 주 수송자가 홀(p-type)인 경우도 있다. n-type 반도체와 p-type 반도체를 접합하여 p-n junction을 만들면 전류의 흐름이 비대칭으로 됨으로써 소자로서 활용할 수 있는 중요한 특성을 갖는다.
만약 구리만으로 n-type과 p-type의 특성을 구현할 수 있다면, 반도체 물질을 도입하지 않고 구리만으로 전극 및 소자 기능을 한 번에 이룰 수 있는 획기적인 발명이 될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 일반적인 구리가 갖는 결함을 해결하기 위해 구리 전자 궤도를 변형시켜 구리만으로 n-type과 p-type의 특성을 구현할 수 있도록 마련된 구리 박막을 제조하는 것이다.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
(1) 단결정 구리 박막
본 발명에 따른 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막은,
두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되, 낱알 경계(grain boundary)가 억제된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 자기장에 따른 홀(hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 사파이어 기판 위에서 원자 ASE에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 홀(hall) 저항이 온도가 달라짐에 따라 비선형적 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
(2) 단결정 구리 박막 반도체
두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되, 상기 단결정 구리 박막은 낱알 경계(grain boundary)가 억제되고, 전기적 특성이 p-type 으로 변형된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 자기장에 따른 홀(hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 사파이어 기판 위에서 원자 ASE에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 홀(hall) 저항이 온도가 달라짐에 따라 비선형적 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
(3) 단결정 구리 박막 제조방법
구리를 160 내지 180 ℃에서 RF 스퍼터링하여 구리 박막을 성장하여 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 RF 스퍼터링의 초기 압력은 2.0×10-3 내지 2.5×10-3 Pa 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 RF 스퍼터링은 Ar 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 RF 스퍼터링은 Ar 가스를 0.3 내지 0.7 Pa까지 주입하여 압력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 RF 스퍼터링의 RF 출력은 23 내지 27 W 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 RF 스퍼터링의 회전 속도는 25 내지 35 RPM 인 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 일반적인 구리가 갖는 결함을 해결하고, 전자의 평균자유행로(mean free path)를 길게 함으로써 기존의 전자가 머무는 페르미 표면(Fermi surface)의 구조를 다르게 만들어 전자의 궤도를 변형할 수 있다.
또한, 본 발명은 구리 전자 궤도를 변형시켜 구리만으로 n-type과 p-type의 특성을 구현할 수 있도록 마련된 구리 박막을 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 구리 또는 3D 벌크 구리의 홀(Hall) 효과를 측정한 그래프이다.
도 2는 3D 구리의 페르미(Fermi) 표면으로, 전류의 순방향(a)과 역방향(b)에 따른 비대칭 자기 저항을 유도하기 위한 링 패턴이다.
도 3은 2D 구리의 페르미(Fermi) 표면을 주기적 영역 형식(periodic zone scheme)에서 본 표면이다.
도 4는 ARPES 측정을 통해 2D 단결정 구리 박막에서 얻어진 페르미 표면(a)과 (a) 내 주황색 화살표 방향으로 측정한 결과를 에너지 축으로 나타낸 그림(b)이다.
도 5는 다양한 두께의 단결정 구리 박막의 홀(Hall) 효과 측정 그래프로, 두께 82 ㎚의 다결정 구리(PCCF) (a), 205 ㎚(b), 80 ㎚(c), 40 ㎚(d), 12 ㎚(e) 및 10 ㎚(f) 두께의 SCCF의 비선형 홀 효과 측정 결과이다.
도 6은 40 ㎚ 두께 박막의 EBSD(1 열), misorientation lines(2 열), 홀 효과 측정(3 열) 및 낱알 경계(grain boundary: GB)와 쌍결정 경계 (twin boundary: TB) 도표(4 열)로, 다결정 박막(a), ASE 방법으로 성장된 단결정에 가까운 박막으로, GB를 다르게 조절하여 비교한 결과(b)~(d) 및 낱알 경계가 전혀 없는 완전 단결정 박막(e)이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
(1) 단결정 구리 박막
본 발명에 따른 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막은, 두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되, 낱알 경계(grain boundary)가 억제된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 두께가 40 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막이 가장 효과적인 낱알 경계(grain boundary)의 억제를 확인할 수 있다.
상기 단결정 구리 박막은 자기장에 따른 홀(Hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기 단결정 구리 박막은 사파이어 기판 위에서 원자 ASE에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 한다.
상기 단결정 구리 박막은 홀(Hall) 저항이 온도가 달라짐에 따라 비선형적 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
(2) 단결정 구리 박막 반도체
두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되, 상기 단결정 구리 박막은 낱알 경계(grain boundary)가 억제되고, 전기적 특성이 p-type 으로 변형된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 두께가 40 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막이 가장 효과적인 낱알 경계(grain boundary)의 억제를 확인할 수 있다.
상기 단결정 구리 박막은 자기장에 따른 홀(Hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
상기 단결정 구리 박막은 사파이어 기판 위에서 원자 ASE에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 한다.
상기 단결정 구리 박막은 홀(Hall) 저항이 온도가 달라짐에 따라 비선형적 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
(3) 단결정 구리 박막 제조방법
구리를 160 내지 180 ℃에서 RF 스퍼터링하여 구리 박막을 성장하여 제조된 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 170 ℃에서 RF 스퍼터링하여 구리 박막을 성장하는 것이 바람직하다.
상기 RF 스퍼터링의 초기 압력은 2.0×10-3 내지 2.5×10-3 Pa 인 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 2.3×10-3 Pa 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 RF 스퍼터링은 Ar 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 RF 스퍼터링은 Ar 가스를 0.3 내지 0.7 Pa까지 주입하여 압력을 조절하는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 0.5 Pa 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 RF 스퍼터링의 RF 출력은 23 내지 27 W 인 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 25 W 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 RF 스퍼터링의 회전 속도는 25 내지 35 RPM 인 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로는 30 RPM 인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 두께 200 ㎚ 이하의 구리 박막에서 낱알 경계를 제거한 경우 전자가 수송자가 아닌 홀이 수송자가 되는 현상을 이용한 단결정 구리 박막에 관한 것으로, 특정 조건하에서 p-type 반도체와 같은 형태로 전기적 특성이 바뀐 구리 박막이다. 이는 일반적인 구리가 갖는 결함을 완전히 해결하고 전자들의 평균자유행로 (mean free path)를 길게 하여 기존의 전자가 머무는 페르미 표면 (Fermi surface)의 구조를 다르게 만들어 줌으로써 전자 궤도를 바꾸어 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막은, 두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되, 낱알 경계(grain boundary, 이하 GB)가 억제된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 자기장에 따른 홀(Hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단결정 구리 박막은 사파이어 기판 위에서 원자 ASE에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 구리에서 홀효과(Hall effect)를 측정하면 선형적으로 나타난다. 이는 수송자가 하나이기 때문인데, 홀(Hall) 저항은 자기장이 증가함에 따라 선형적으로 증가하며 온도에 따라서도 큰 변화가 없음을 의미한다. 도 1에 나타난 바와 같이, 일반 구리 혹은 3D 벌크 구리의 홀효과(Hall effect)를 나타내는데, 자기장이 증가함에 따라 홀(Hall) 저항이 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
트랜지스터, 다이오드 및 다양한 센서를 포함한 고체 전자 장치는 반도체 채널 및 금속 전극에서 전도 전자의 흐름과 제어를 사용한다. 재료의 다양한 특성 중 페르미 표면 근처의 전자 밴드 구조는 전도 전자의 거동을 결정하며 이는 장치 응용 및 설계에 활용되는 핵심 기능이다. 따라서 전하 캐리어의 극성, 밀도 및 이동도는 반도체에 맞게 조작되고 최적화되었다. 그러나 구리(Cu)와 같은 귀금속을 포함하는 다른 중요한 전자 부품에는 전자 특성의 효과적인 설계가 적용되지 않았으며, 이는 개념적으로 새로운 장치에 대한 재료의 전체 잠재력을 제한한다.
금속의 페르미 표면은 운송 중 GB와 같은 수많은 결함에서 무작위 산란으로 인해 압도된다. GB는 금속박막 성장 과정에서 ~102 μm-2 (1010 cm-2) 이상의 밀도로 형성되므로 피하기 어렵다. 전자와 포논(phonons)의 수송은 특히 수송 매체의 평균 자유 경로(MFP)가 GB 사이의 거리보다 긴 경우 GB에 의해 결정적으로 영향을 받는 것으로 보고된다. 또한, 현대 전자제품의 소형화로 인해 전자소자의 크기가 점점 작아지고 있으며, 금속을 비롯한 2차원(2D) 전자재료에 대한 수요가 증가하고 있다. 따라서 2D 형상에서 단결정 금속의 합성은 흥미로운 문제다. 초기 성장 단계의 핵 생성은 무수히 분리된 입자를 생성한다. 2D 금속에서 GB를 최소화하려는 엄청난 노력이 있었지만, 현재까지 특히 두께가 10 ㎚에 이르는 대규모 귀금속(예: Cu 및 Au)의 경우 GB를 완전히 억제하지 못했다. 초기 성장 상태에서 생성된 GB는 전자의 산란을 유발하여 결과적으로 고유 특성을 잃게 된다. 예를 들어, 귀금속의 저항률은 두께가 감소함에 따라 증가하며, 이는 2차원 한계에서 현저하게 나타난다. 그래핀의 발견으로 촉발된 2D 재료에 대한 큰 관심에도 불구하고, 새로운 금속의 2D 특성은 아직 잘 탐구되지 않았다. 따라서, 소자 제작을 위해 최소한의 금속으로 높은 전도성을 구현하는 등의 공학적인 문제를 해결하기 위해 두께 제어가 이루어지고 있다. 두께에 따른 저항률 변화의 주요 물리적 원인은 GB 특성과 함께 금속의 수정된 전도 메커니즘이다. GB가 없고 두께가 운송 매체의 평균 자유 경로(MFP) 보다 낮은 경우 금속의 비전통적인 운송이 고려될 수 있다.
반면, 본 발명에 따른 단결정 구리 박막에서는 전자들이 GB와 충돌하는 빈도수가 현격히 적어지고 평균자유행로가 길어지며 충분히 페르미 표면 최외각을 돌게 됨에 따라 역격자 공간에서 홀 포켓(Hall pocket)을 돌면서 홀의 거동을 하게 된다.
본 발명에서 단결정 박막(SCCF)의 2D 형상과 GB 없는 성장의 조합에 의해 유도된 초청정 2D 구리에서 직관에 반하는 홀 캐리어 지배(HCD) 수송을 나타낸다. GB 밀도는 원자 스퍼터링 에피택시(ASE) 시스템으로 제작된 2D 구리에서 강력하게 억제될 수 있다. 결정립계가 없는 경우 기하학적 특징의 또 다른 범주인 쌍결정경계 (twin boundary: TB)를 조사할 수 있으며 이는 GB와 비교하여 대칭성을 만족하므로 전자수송을 방해하지 않는다. 2D 구리의 전자 밴드 구조에 대한 엄격한 특성 분석은 구조 분석, 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES) 측정 및 2캐리어 모델 피팅 분석을 통한 홀 측정을 통해 수행되었다. 기존 구리의 전자 캐리어와 달리 2D 단결정 박막(SCCF)의 GB 억제는 홀 캐리어 지배(HCD) 전송을 나타낸다. 이론적으로 첫 번째 원리 계산과 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES) 측정은 GB가 0인 2D 구리에서 페르미 표면의 오목 형상에 의한 HCD 전송을 실험적으로 설명한다. 전송의 고유한 특성은 2D 형상의 GB 엔지니어링을 기반으로 금속에서 전하 캐리어의 겉보기 극성을 조작하는 획기적인 방법을 제시한다.
도 2(a)는 벌크 단결정 구리의 페르미 표면을 나타내며 상기 벌크(3D) 단결정 구리가 2D가 되었을 때는 도 2(b)와 같은 패턴을 나타낸다. 만약 구리가 이상적인 단결정 구조라면 전자들은 도 2(b)의 최외각 표면을 돌게 되고, 이를 주기적인 역격자 공간의 그림으로 나타내었을 때 도 3과 같이 된다.
도 3의 파란 원으로 나타난 바와 같이, 전자들은 전자 궤도를 돌지만, 최외각을 도는 전자는 오픈 궤도(open orbit)를 통해 옆의 페르미 면으로 나가면서 삼각형 형태로 되어 있는 홀 궤도(hole orbit)를 돌게 된다. 도 2 및 도 3의 이론적 계산 결과는 실험적으로도 증명된다.
도 4(a)는 도 3에서 예측되었던 2D 단결정 구리의 이론적 모델을 정확히 실험적으로 나타내고 있다. 도 3(a)의 아래쪽 육각형 궤도(hexagonal orbit)는 전자 궤도를 나타내며, 오른쪽 어깨 위치 혹은 왼쪽 어깨 위치에 보이는 삼각형 궤도(triangle orbit)는 홀(hole)의 궤도를 나타낸다. 도 4(a)의 주황색 화살표 방향을 따라 kx 방향으로 에너지 분포를 측정한 것이 도 4(b)이며, 여기서는 전자에 대한 궤도(파란 점선)와 홀(hole) 궤도(노란 점선)가 매우 뚜렷하게 관측된다.
2D 구리 박막의 고유 특성을 이해하기 위해 2D 한계에서 구리의 전자 밴드 구조를 계산했다. 구리가 공간 좌표를 따라 나노미터 규모까지 두께를 줄여 2D 한계에 도달하면 양자 구속으로 인해 일반 3D 페르미 표면이 도 2(a)과 같이 재구성되고 2D 서브밴드 표면이 도 2(b)와 같이 구성된다. 결과적으로 일련의 2D 페르미 표면이 생성된다. 방향을 따라 구리를 얇게 만드는 경우, 2D 페르미 표면의 특이한 변형으로 각각 오목한 전자와 정공 밴드가 형성된다.
3D 페르미 표면에서 (111) 방향을 따른 목으로 인해 도 2(b)와 같이 K-점 근처에 모양의 페르미 표면이 예측된다. 중앙(내부 고리)의 페르미 표면은 가장 바깥쪽 표면보다 더 높은 위치 에너지와 낮은 페르미 속도를 갖는 전자 궤도(eH/ħc로 크기 조정)이며, 이러한 궤도의 캐리어는 전자이다. 가장 바깥쪽 오목한 모양의 페르미 표면은 음의 곡률을 가지므로 정공 캐리어가 발생한다. 이는 볼록형 및 오목형 페르미 표면을 따라 이동하는 전도 캐리어가 이전에 YBa2Cu3O7-x, La2-xSrxCuO4, FeSe, 및 Ba(Fe1-xCox)2As2 와 같은 준 2D 시스템에서 관찰된 것처럼 페르미 표면의 기하학적 해석을 기반으로 서로 다른 극성에 기여하기 때문이다. 도 3에 표시된 것처럼 2D FS가 영역 중심(파란색 원으로 표시)에 있는 전자 포켓과 영역 모서리(빨간색 원)에 있는 홀 포켓으로 구성되어 있다는 것이 주기적인 영역 체계에서 다소 분명해진다.
양자 구속을 통해 예상되는 페르미 표면의 재구성을 실험적으로 확인하기 위해 ARPES를 사용하여 저온에서 2D 한계에 도달할 수 있을 만큼 얇은 80 ㎚ 두께의 2D 단결정 박막(SCCF)의 전자 구조를 직접 측정했다. 예상대로 잘 알려진 3D Cu의 페르미 표면 토폴로지(도 2(a))와 뚜렷하게 대조되는 kz=0 평면(도 4(a))에 대해 취해진 페르미 표면 토폴로지(도 4(a))는 두 가지 유형을 명확하게 보여준다. 페르미 표면(FS), 영역 중심에 중심을 둔 큰 육각형 FS 및 영역 모서리 주변의 삼각형 FS는 계산된 FS 토폴로지와 밀접하게 일치한다.
도 5는 홀(Hall) 측정을 통해, 홀(Hall) 저항이 자기장에 따라 어떻게 변하는지를 본 측정이며, 여기서는 도 1과 달리 직선이 아니라 비선형적인 거동을 나타낸다. 이러한 비선형 거동은 온도가 낮아지면 더 뚜렷하게 나타난다. 또한, 이러한 비선형 거동은 단결정 구리 박막이 200 ㎚ 이하의 두께에서부터 나타나며, 10 ㎚ 두께의 박막까지 예외 없이 나타난다. 특히, 40 ㎚ 근처 두께에서 비선형성은 가장 뚜렷하게 나타난다.
가장 비선형성이 뚜렷한 40 ㎚ 단결정 구리 박막 시료를 사용하여 GB가 홀(hole) 거동에 어떤 영향을 미치는지 조사한 결과, GB가 있는 시료에서는 비선형 거동이 나타나지 않고 약간의 GB가 존재하는 경우에도 비선형성이 약해지므로, GB가 거의 사라진 2D 구리 박막 내에서 홀(hole) 수송자의 관측이 매우 뚜렷하게 나타난다.
보다 구체적으로, 2D 구리의 비선형 홀효과(NHE)를 측정하기 위해, HCD 전송을 직접 조사했다. 구리의 페르미 표면은 자유 전자와 유사한 s 밴드에서 유래하는 반면, 완전히 채워진 d 전자는 페르미 준위 근처의 전자 밴드에 기여하지 않는다. 구리의 s-밴드 특성은 충분히 높은 전도성과 최대 1.1×106 m/s의 페르미 속도를 보장하며, 이는 컬러 매핑을 통해 도 2(a)에 나와 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 1 ㎛ 보다 두꺼운 벌크 단결정 구리는 T=3 K에서 n=9.09×1022 ㎝-3의 단일 캐리어(전자) 밀도를 갖는 일반적인 홀 효과를 보여준다. 도 5(a)에 나타난 바와 같이, 단결정이라하더라도 3D의 단결정 구리는 2D 한계에서의 다결정 구리박막(PCCF)와 동일하게 거동함을 의미한다.
3D 구리에도 오목한 페르미 표면이 있지만 이 영역은 매우 좁으며 주기 영역 체계에서 순전히 홀(hole)과 같은 궤도로 이어지지 않는다. 따라서 벌크 구리에서 홀(hole) 캐리어를 관찰하는 것은 어렵다. 그러나 2D 단결정 박막(SCCF) 샘플은 2D 영역에서 다른 동작을 보여준다. 도 5(b) 내지 도 5(f)에 나타난 바와 같이, 2D 단결정 박막(SCCF) 샘플의 두께가 205 ㎚ 미만으로 감소함에 따라 외부 자기장에 대한 선형 반응을 나타내는 일반 홀 효과가 비선형 홀 효과(NHE)로 변경된다. 여기서 비선형 홀 효과(NHE)는 일반 홀 효과라고 불리는 외부 자기장에 대한 선형 의존성으로부터의 편차를 나타낸다. 도 5(b)에 나타난 바와 같이, 저온에서의 비선형성은 205 ㎚의 두께에서 시작하여 80 ㎚ (도 5(c))와 40 ㎚ (도 5(d))의 두께에서 더욱 두드러지며 12 ㎚ (도 5(e))와 10 ㎚ (도 5(f))의 얇은 샘플에서는 약간 억제되며 박막 성장의 한계에 접근하고 있다.
이하, 기존의 방법으로 제조된 비교예와 실시예를 비교하고 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
실시예 1 : ASE 기술을 통한 단결정 구리 박막의 제조
Cu 박막은 ASE 기술을 사용하여 GB-free 단결정 및 GB 밀도 제어 단결정으로 고품질 결정성을 갖도록 제작되었다. ASE 시스템은 단결정 스퍼터링 타겟을 사용하고 기존 전기 도체를 단결정 도체로 대체하고 기계적 잡음 감소(MNR) 시스템을 사용하여 개선된 수정된 RF 스퍼터링 시스템이다. 최적 성장 온도는 약 170 ℃이며 시스템에 따라 ± 10℃씩 달라진다. GB 밀도 조절을 위해 의도적으로 최적온도보다 낮은 100 ℃에서 40 ㎚ 두께의 GB가 존재하는 박막을 성장시키고 추가적인 열처리를 통해 GB의 개수를 조절하였다. GB 및 TB 수는 RD 모드에서 오배향선 분포 (misorientation line distribution)를 사용한 EBSD 매핑을 통해 매우 정확하게 얻어졌다. 증착 분위기로는 Ar 가스(99.9999%, 6N)를 사용하였다. 증착 시간과 박막 두께(또는 평균 성장 속도)의 관계는 최적 조건에서 성장한 200 ㎚ 두께의 필름의 평균 증착 시간으로부터 결정되었다. ~4.3 ㎚/min의 결정된 평균 성장률은 10 ㎚의 필름 두께 이상에서는 상당히 신뢰할 수 있다. RF 스퍼터링의 초기 압력은 2.3×10-3 Pa였으며, 아르곤 가스(99.9999%)를 0.5 Pa까지 주입하여 작동 압력을 조절하였다. RF 출력은 25 W, 회전 속도는 30 RPM이었다. 필름의 두께는 증착 시간에 따라 조절되었으며 원자간력현미경(AFM)으로 확인되었다. 단면 구리 필름의 원자 구조는 ~23의 프로브 형성 각도로 200 kV에서 작동하는 수차 보정 주사 투과 전자 현미경(STEM, JEM-ARM200CF, JEOL)을 사용하여 환상 암시야(ADF) 이미징 모드에서 관찰되었다. ADF 검출기의 각도 범위는 45-170mrad로 설정되었다.
실험예 1 : 구조 측정
EBSD 이미지는 EDAX-TSL Hikari EBSD 검출기를 포함한 완전 자동화 장치 부착 장치가 장착된 SUPRA40 VP 시스템(Carl Zeiss AG, Oberkochen, Germany)을 사용하여 얻었다. EBSD 맵은 육각형 그리드에서 80 ㎚의 공간 단계 크기를 사용하여 획득되었다. 단일 매핑의 영역 크기는 약 174.3 ㎛2 이다. EBSD 스캔 중 Kikuchi 지도의 평균 신뢰 지수는 일반적으로 0.80에서 0.90 사이였다. 그러나 다결정 Cu막의 경우 지수는 0.7 수준이었다. 오배향 통계는 TSL OIM 분석 v7(Ametek, Inc)을 사용하여 EBSD 맵에서 파생되었다. 오배향이 1°보다 큰 경우 두 인접 지점 사이의 세그먼트를 경계로 간주했다. 오배향지도에서 오배향 각도가 0에서 59° 사이인 경계는 GB에 해당하는 파란색 선으로 표시되고 오배향 각도가 60°인 경계는 빨간색 선으로 표시되며 이는 면심 입방체(FCC)(111) 구조의 TB와 관련된다.
실험예 2 : ARPES 측정
고해상도 ARPES 측정은 ALS(Advanced Light Source)의 빔라인 4.0.3에서 수행되었다. Cu 박막은 5 X 10-10 Torr 이상의 압력으로 초고진공 하에서 어닐링되었으며 5 X 10-11 Torr 이상의 압력으로 10 K에서 측정되었다. 전체 에너지 및 각도 분해능은 20 meV 및 0.1°보다 높게 설정되었다.
실험예 3 : 홀 측정 및 샘플 준비
사파이어 기판 위의 Cu 박막의 홀바 장치는 e-빔 리소그래피와 FeCl3 용액을 이용한 습식 에칭을 통해 제작되었다. 일반적인 장치 채널 길이와 너비는 각각 200 ㎛와 20 ㎛ 였다. Cu 박막 장치의 전기 수송 측정은 T=1.5 ~ 300K의 온도 범위에서 TeslatronPT(Oxford)에 의해 수행되었다. 자기장(최대 12테슬라)이 평면 표면에 수직인 방향을 따라 적용되었다. Keithley 4200 또는 6221 전류 발생기를 사용하여 장치에 DC 전류를 적용하고 여러 Keithley 2182A 전압계를 사용하여 종방향(비저항 및 자기저항의 경우) 및 횡방향(홀의 경우) 전압 차이를 동시에 측정했다. 인가된 전류는 mA 정도였다.
실험예 4 : 다결정 및 단결정 시료 비교
다결정과 단결정 시료의 비교를 위하여 GB가 많은 다결정 박막과 각기 다른 농도의 GB를 갖는 단결정 박막을 준비하여 비교하였다.
1열은 40 ㎚ 두께 박막에 대해 EBSD를 측정하였고, 2열은 오배향 선을 측정하여 GB의 수 및 쌍결정 경계의 수(이하 TB) 등을 가장 오른쪽 열에 표로 나타내었고, 3열은 각 시료의 홀 효과 측정 결과를 제시하였다. 또한, (a)는 GB 농도가 102/㎛2 이상인 다결정 박막에 대한 실험 결과이며, 온도를 다르게 열처리하여 형성된 101/㎛2 (b), 100/㎛2 (c), 10-1/㎛2 (d) 및 0 (e)의 농도를 조절하여 ASE 법으로 성장된 단결정 박막이다.
다결정인 시료에 비해 GB가 많이 줄어든 (b) ~ (d)의 시료들은 면외(out of plane) 방향으로 완벽히 (111) 방향으로 정렬되어 있지만, 면내(in-plane) 방향으로는 일부의 GB (2열에서 파란색으로 표기된 선) 들이 여전히 존재하며 GB가 완전히 사라진 (e)의 시료에서 가장 강하게 비선형 거동이 나타난다. 2열에서 빨간색으로 나타낸 선들은 TB로, 인접한 두 배향은 대칭성을 만족하기 때문에 전자의 운동에 뚜렷한 영향을 미치지 않는다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 일반적인 구리가 갖는 결함을 해결하고, 전자의 평균자유행로(mean free path)를 길게 함으로써 기존의 전자가 머무는 페르미 표면(Fermi surface)의 구조를 다르게 만들어 전자의 궤도를 변형할 수 있다.
또한, 본 발명은 구리 전자 궤도를 변형시켜 구리만으로 n-type과 p-type의 특성을 구현할 수 있도록 마련된 구리 박막을 제조할 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되,
    상기 단결정 구리 박막은 낱알 경계(grain boundary: GB)가 억제된 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 구리 박막은,
    자기장에 따른 홀(Hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 구리 박막은,
    사파이어 기판 위에서 원자 스퍼터링 에피택시(ASE)에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막.
  4. 두께가 200 ㎚ 이하인 단결정 구리 박막을 포함하되,
    상기 단결정 구리 박막은 GB가 억제되고,
    전기적 특성이 p-type 으로 변형된 것을 특징으로 하는,
    단결정 구리 박막 반도체.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 단결정 구리 박막은,
    자기장에 따른 홀(Hall) 저항이 비선형적인 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는,
    단결정 구리 박막 반도체.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 단결정 구리 박막은,
    사파이어 기판 위에서 원자 스퍼터링 에피택시(ASE)에 의해 구리를 성장시킨 것을 특징으로 하는,
    단결정 구리 박막 반도체.
  7. 구리를 160 내지 180 ℃에서 RF 스퍼터링하여 구리 박막을 성장하여 제조된 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링의 초기 압력은 2.0×10-3 내지 2.5×10-3 Pa 인 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링은 Ar 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링은 Ar 가스를 0.3 내지 0.7 Pa까지 주입하여 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링의 RF 출력은 23 내지 27 W 인 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 RF 스퍼터링의 회전 속도는 25 내지 35 RPM 인 것을 특징으로 하는,
    낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법.
PCT/KR2024/007800 2023-06-12 2024-06-07 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체 Ceased WO2024258115A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP24823635.8A EP4727322A1 (en) 2023-06-12 2024-06-07 Method for manufacturing single-crystal copper thin film having nonlinear hall effect and hole carrier dominant transport phenomenon in two-dimensional single-crystal thin film with suppressed grain boundary, and single-crystal copper thin film and single-crystal copper thin film semiconductor manufactured by using same

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2023-0074721 2023-06-12
KR20230074721 2023-06-12
KR10-2024-0073380 2024-06-05
KR1020240073380A KR102819218B1 (ko) 2023-06-12 2024-06-05 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024258115A1 true WO2024258115A1 (ko) 2024-12-19

Family

ID=93852393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2024/007800 Ceased WO2024258115A1 (ko) 2023-06-12 2024-06-07 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4727322A1 (ko)
WO (1) WO2024258115A1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190038780A (ko) * 2019-04-01 2019-04-09 한국과학기술연구원 금속 나노플레이트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 금속 나노플레이트
KR20210047114A (ko) * 2019-10-21 2021-04-29 한양대학교 산학협력단 종자정 고상결정 성장에 의한 단결정 금속막의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 단결정 금속막
CN114703515A (zh) * 2022-04-14 2022-07-05 中国科学院金属研究所 一种铜箔及其制备方法、以及一种电路板和集电体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190038780A (ko) * 2019-04-01 2019-04-09 한국과학기술연구원 금속 나노플레이트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 금속 나노플레이트
KR20210047114A (ko) * 2019-10-21 2021-04-29 한양대학교 산학협력단 종자정 고상결정 성장에 의한 단결정 금속막의 제조방법, 및 이에 의해 제조된 단결정 금속막
CN114703515A (zh) * 2022-04-14 2022-07-05 中国科学院金属研究所 一种铜箔及其制备方法、以及一种电路板和集电体

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JONG MOK OK; KYUNGROK KANG; JOUNGHOON HYUN; CHAN‐YOUNG LIM; SEONGGEON GIM; JINWOONG HWANG; JONATHAN D. DENLINGER; MIYEON CHEON; BI: "Hole‐Carrier‐Dominant Transport in 2D Single‐Crystal Copper", ADVANCED MATERIALS, VCH PUBLISHERS, DE, vol. 36, no. 36, 18 July 2024 (2024-07-18), DE , pages n/a - n/a, XP072700270, ISSN: 0935-9648, DOI: 10.1002/adma.202403783 *
SEUNGHUN LEE, JI YOUNG KIM, TAE-WOO LEE, WON-KYUNG KIM, BUM-SU KIM, JI HUN PARK, JONG-SEONG BAE, YONG CHAN CHO, JUNGDAE KIM, MIN-W: "Fabrication of high-quality single-crystal Cu thin films using radio-frequency sputtering", SCIENTIFIC REPORTS, vol. 4, no. 1, 1 May 2015 (2015-05-01), XP055419457, DOI: 10.1038/srep06230 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP4727322A1 (en) 2026-04-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR910002311B1 (ko) 초전도 디바이스
US11974508B2 (en) Josephson Junction using molecular beam epitaxy
Li et al. Possible structural origin of superconductivity in Sr-doped B i 2 S e 3
WO2015190807A1 (ko) 그래핀 구조체 및 그 제조 방법
WO2010082733A2 (ko) 열전 나노와이어 및 그의 제조방법
Makise et al. NbN/AlN/NbN/TiN tunnel junctions on Si (100) substrate for superconducting devices
Saito et al. Josephson tunneling properties in MgB 2/AlN/NbN tunnel junctions
Eckstein et al. Atomic layer-by-layer engineering of high Tc materials and heterostructure devices
WO2024258115A1 (ko) 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체
WO2021246697A1 (ko) 베타 산화갈륨 박막 제조방법
KR102819218B1 (ko) 낱알 경계가 억제된 2차원 단결정 박막에서 비선형 홀효과 및 홀 수송자 지배적 수송현상을 포함하는 단결정 구리 박막 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 단결정 구리박막 및 단결정 구리박막 반도체
US20070272855A1 (en) Scanning probe microscope probe and manufacturing method therefor, scanning probe microscope and using method therefor, needle-like body and manufacturing method therefor, electronic device and manufacturing method therefor, charge density wave quantum phase microscope, and charge density wave quantum interferometer
RU188983U1 (ru) Подложка для формирования планарной структуры на основе эпитаксиальной пленки проводника
Kim et al. Fabrication and characteristics of submicron tunneling junctions on high T c superconducting c-axis thin films and single crystals
Kye et al. Josephson effect in MgB/sub 2//Ag/MgB/sub 2/step-edge junctions
Saito et al. Fabrication of Josephson junctions with as-grown MgB/sub 2/thin films
Gashin et al. ZnTe‐CdSe Heterojunctions I. Electrical Properties
Ge et al. Superconductivity in single-layer films of FeSe with a transition temperature above 100 K
Chen et al. ${\rm MgB} _ {2}/{\rm MgO/MgB} _ {2} $ Josephson Junctions for High-Speed Circuits
Liu et al. Two-dimensional electron gas at LaAlO3/SrTiO3 interfaces
WO2019132312A1 (ko) 나노물질 리본 패터닝 방법 및 이에 의해 제조되는 나노물질 리본 패턴
Kang et al. Hole-carrier-dominant transport in 2D single-crystal copper
JP3186035B2 (ja) 電界効果素子用積層薄膜および該積層薄膜を用いた電界効果トランジスター
WO2025089840A1 (ko) 단결정성 박막이 형성된 기판 및 이를 포함하는 단결정성 적층구조물
WO2026009736A1 (ja) 構造体及びジョセフソン接合の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 24823635

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2025570099

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2025570099

Country of ref document: JP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP

Effective date: 20260112

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP

Effective date: 20260112

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP

Effective date: 20260112

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP

Effective date: 20260112

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP

Effective date: 20260112

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2024823635

Country of ref document: EP