(51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) H01L 27/105 (2006.01) (21) 출원번호 10-2006-0128886 (22) 출원일자 2006 년 12 월 15 일 심사청구일자 2006 년 12 월 15 일 (65) 공개번호 10-2008-0055492 (43) 공개일자 2008 년 06 월 19 일 (56) 선행기술조사문헌 JP2002111094 A* JP2004179483 A JP09198622 A* * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2008년08월13일 (11) 등록번호 10-0851891 (24) 등록일자 2008년08월06일 (73) 특허권자 한국과학기술연구원 서울성북구하월곡 2 동 39-1 (72) 발명자 이광렬 서울서초구잠원동동아아파트 103 동 2010 호 이승철 서울관악구봉천 6 동관악드림타운 122 동 1403 호 안효신 서울강서구염창동 263 번지태진한솔아파트 101 동 903 호 (74) 대리인 박장원 전체청구항수 : 총 6 항심사관 : 이우식 (54) 전도성질화물을사이층으로사용한높은스핀주입효율을갖는다층막구조 (57) 요약 본발명은비자성또는자성반도체에특정한스핀방향을가진전자를주입할때높은스핀주입효율을나타낼수있는다층막구조및그제조방법에관한것으로, 보다상세하게는전이금속질화물중전도성질화물인 TiN, TaN, NbN, ZrN 등을강자성물질과반도체물질의사이층으로사용한다층막구조및그제조방법에관한것이다. 본발명에의한다층막구조는강자성물질 / 반도체의접합에서나타나는쇼트키장벽 (Schottky Barrier), 전도도불일치 (Conductivity Mismatch), 그리고계면형상의불균일성을나타내지않으며, 높은스핀주입효율을달성한다. 따라서본발명에서얻어진다층막구조를이용하면종래의강자성물질 / 반도체접합에비해더높은스핀주입효율을가진소자를제조할수있는장점이있다. 대표도 - 도 1-1 -
특허청구의범위청구항 1 반도체층 ; 상기반도체층위에형성된전도성질화물로이루어진사이층 ; 및상기전도성질화물사이층위에형성되며, 상기전도성질화물사이층을통해상기반도체층에스핀을주입하는, 강자성재료로이루어진스핀주입전극층 ; 을포함하여이루어지며, 상기전도성질화물사이층에전이금속이 1 10 at% 의양으로도핑되어있는것을특징으로하는높은스핀주입효율을갖는다층막구조. 청구항 2 삭제청구항 3 상기전도성질화물은 TiN, TaN, NbN 및 ZrN으로이루어진그룹에서선택된어느하나인것을특징으로하는높은스핀주입효율을갖는다층막구조. 청구항 4 상기전이금속은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu로이루어진그룹에서선택된어느하나인것을특징으로하는높은스핀주입효율을갖는다층막구조. 청구항 5 삭제청구항 6 상기강자성재료는 Fe 및그합금, CoFe, CrO 2, 이중페로브스카이트 (double perovskite) 로이루어진그룹에서선택된어느하나인것을특징으로하는높은스핀주입효율을갖는다층막구조. 청구항 7 상기반도체층과상기전도성질화물사이층의계면은옴접합 (ohmic contact) 을이루는것을특징으로하는높은스핀주입효율을갖는다층막구조. 청구항 8 상기다층막구조는스핀 FET (spin field effect transistor), 스핀주입기 (spin injector), 스핀필터 (spin filter) 또는고경도자성소자 (high hardness magnetic device) 를구성하는것을특징으로하는높은스핀주입효율을갖는다층막구조. 청구항 9 삭제청구항 10-2 -
삭제청구항 11 삭제청구항 12 삭제청구항 13 삭제청구항 14 삭제 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 <8> <9> <10> <11> <12> 발명이속하는기술및그분야의종래기술본발명은비자성또는자성반도체에특정한스핀방향을가진전자를주입할때높은스핀주입효율을나타낼수있는다층막구조및그제조방법에관한것으로, 보다상세하게는전이금속질화물중전도성질화물인 TiN, TaN, NbN, ZrN 등을강자성물질과반도체물질의사이층으로사용한다층막구조및그제조방법에관한것이다. 스핀전자소자는정보저장과정보의처리를전자의전하의양을제어해구현하는것이아니라전자의내재적인성질 (intrinsic property), 즉스핀을통해처리하는소자이다. 종래에는금속박막을통한소자의제조에주로연구가집중되었지만, 최근에는반도체물질을사용해스핀전자소자를구현하려는연구가활발히진행되고있다. 전형적인스핀전자소자의구조는스핀주입전극, 계면 (interface), 결맞음 (coherency) 을유지하며분극되어주입된스핀이조작되는매체 (medium), 또다른계면및스핀의방향을검출 (detect) 하는전극으로이루어진다. 스핀의주입과검출은주로광학적인방법을사용하고있다. 강자성주입기와검출기는높은스핀분극도를갖고매체와호환성 (compatibility) 이있어야한다. 스핀전자소자가실현되기위한가장기초적인전제조건은선택된스핀을주입할수있는물질이있어야한다는것이다. 종래강자성주입기로서는 3d 전자를가진강자성금속또는합금이주로연구되었는데, 이때강자성금속의스핀분극도 ( 전도전자중 up-스핀과 down-스핀의비를말하며, 100% 는모든전자의스핀이한방향으로만배열되어있음을의미하고 0% 는 up-스핀과 down-스핀전자의비가 50:50이라는것을의미한다 ) 는 40-50% 의값을가진다. 그러나강자성금속에서반도체로스핀을주입하는데기본적인장벽이존재한다는것이이론적으로주장되었다. 슈미트 (Schmidt) 의이론에따르면강자성금속에서반도체로스핀주입이효율적으로일어나기위해서는금속의전도도가반도체의전도도보다작거나같아야한다. 그러나, 금속과반도체의전도도의차이는 1000 배내지 100만배나되기때문에현실적으로강자성금속에서반도체로의스핀주입은불가능한것으로밝혀졌다. 강자성금속에서반도체로의스핀주입이왜현실적으로불가능한지에대해알려지게되자, 연구자들은많은대안을제시하였다. 그에관한예를들면다음과같다. 첫번째대안은강자성반도체를스핀주입물질로사용하는것이다. 만약반도체가강자성을띤다면즉, 스핀분극도가 0이아닌값을가진다면이론적으로제안된전도도의불일치의문제를해결할수있다는것이다. 그리고, 반도체물질을사용하기때문에기존의반도체산업에서사용하는장치의큰수정이없이도응용이가능하다는장점이있다. 이분야에서는 GaAs에 Mn을주입하여강자성물질로만든오노 (Ohno) 등의연구가잘알려져있다. 그러나, 이런물질에는몇가지문제점이있다. 즉, 스핀전자소자는상온에서작동해야하는데강자성반도체가자성을띠는최고의온도즉, 큐리온도가상온에서한참못미친다는것이다. 가장높은큐리온도를가지는자성반도체는절대온도 110 K 근처라고알려져있다. 또다른문제는강자성반도체가자성을띠 - 3 -
는이유가전자가아니라홀을매개로강자성을띤다는것이다. 이것은스핀을주입하기위해서는전자가반드시필요한데자성을매개하는물질이전자가아니라홀이라면스핀을주입할수없다는문제가있음을의미한다. 마지막문제점으로는자성이전자에의해나타나는강자성반도체의경우에스핀전자를주입할경우주입되는전자의절대수가부족하여실제로측정이곤란하다는단점이있다. <13> <14> <15> <16> 두번째대안은, 스핀분극도가 100% 인물질을이용하는것이다. 아무리전도도의차이가크더라도주입되는전자가단지업스핀 (up-spin) 전자인경우에는어쨌든스핀이주입되기때문에전도도의문제를해결할수있다는것이다. 이런관점에서반금속 (half metal: 전도전자가한방향의스핀으로만이루어진물질 ) 에관한연구가활발히진행되고있다. 그러나, 반금속의경우에도몇가지문제점이있는데, 이론적으로반금속이라하더라도상온에서그성질을계속유지할것인가의문제가되며, 또한반금속의경우대부분이산화물로서실리콘또는다른반도체에계면을형성하였다고보고된바가없다는점이문제가된다. 즉, 기존의반도체산업에응용하기위해서는실리콘또는다른반도체위에박막의형태로제조되어야하는데아직이런박막을형성하였다는보고가없다는것은그만큼반금속박막을제조하는것이어렵다는것을의미한다. 세번째대안으로는강자성금속과반도체물질사이의전도도차이가크고쇼트키장벽 (Schottky barrier) 이형성되어전자가저항성접촉 (Ohmic contact) 을통해주입될수없다면전자를터널링 (tunneling) 현상을이용해주입하는것이다. 즉, 강자성금속과반도체사이에절연막을형성하여스핀분극된전자가절연막을터널링을통해통과하도록하는방법이다. 이방법을사용하면강자성금속과반도체를사용해도높은수준의스핀분극도를가진전자를주입할수있는장점이있다. 그러나이방법의경우터널링이라는방법을사용함으로써많은양의전자를주입할수없기때문에전자의절대수가작다는단점이있다. 그외내재적쇼트키장벽 (intrinsic Schottky barrier) 을사용하는방법과스핀의방향에민감한계면을형성해스핀주입을선택적으로하는방법들이있다. 이상과같이, 이제까지제안된스핀주입방법은각방법의장점은가지고있지만포괄적으로스핀전자소자에사용되기위해서는모두각자의단점이있어아직스핀주입에대한확립된방법은없는것이현실이다. <17> <18> <19> 발명이이루고자하는기술적과제본발명은상기와같은문제점을해결하고자하는것으로, 전도성질화물을사이층으로사용하여비자성또는자성반도체에특정한스핀방향을가진전자를주입할때높은스핀주입효율을나타낼수있는다층막구조를제공하는것을목적으로한다. 또한편으로, 본발명은상기와같은다층막구조의제조방법을제공하는것을목적으로한다. 기타본발명의목적및특징은후술하는상세한설명및특허청구범위에의해보다명확하게제시될것이다. <20> <21> <22> <23> 발명의구성및작용이하, 본발명의전도성질화물을사이층으로사용한높은스핀주입효율을갖는다층막구조및그제조방법에관하여상세히설명하도록한다. 먼저본발명의전도성질화물을사이층으로사용한높은스핀주입효율을갖는다층막구조의구성을살펴보면다음과같다. 본발명의높은스핀주입효율을갖는다층막구조는도 1과같이스핀주입전극층 (1), 전도성질화물사이층 (2) 및반도체층 (3) 으로이루어진다. 본발명에서상기스핀주입전극층 (1) 에는강자성재료를사용하는데, 강자성재료로는 Fe, CoFe 등의상온에서강자성을보이는강자성금속이나합금또는 CrO 2, 이중페로브스카이트 (double perovskite) 등의반금속이사 용될수있다. <24> 본발명에서상기전도성질화물사이층 (2) 에는 TiN, TaN, NbN, ZrN 등의전도성질화물이사용되어지고, 나아가상기전도성질화물에 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 등의전이금속이도핑되어사용될수도있다. 이때, 전도성질화물에도핑된전이금속의양은 1 10 at% 인것이바람직하다. 전이금속의양이 1 at% 보다작으면, 전이금속의농도가너무낮아매우희박한강자성체가되고, 이경우강자성을나타낼수있는온도가상온이하가될수있다. 전이금속의양이 10 at% 보다크면, 전이금속은같은전이금속끼리모이려는경향이크므로, 전이금속이질화물의기지에균일하게분포되기보다는전이금속이질화물기지 (matrix) 에편석되고, 편석이되면자기적 - 4 -
성질이나타난다하더라도이것은편석된전이금속에기인한것이고질화물기지는아무런효과를없게되기때문에, 이러한경우는본발명에서필요로하는스핀분극효과가나타나지않을수있다. 전도성질화물사이층또는전이금속이첨가된전도성질화물사이층 (2) 은전도도의크기가반도체와유사하며상온에서도자성을띠고있기때문에효율적으로반도체에스핀전자를주입할수있다. 또한, TiN 박막등은기존반도체산업에서매우광범위하게응용되고있는물질이기때문에쉽게스핀전자소자의제조에응용될수있는장점이있다. <25> <26> <27> <28> 보통의질화물은질소의강한결합력으로인해절연체또는반도체의특성을띠는것이일반적인데전도성질화물의경우금속보다는전도도가작지만금속의전자성질을가지고있기때문에, 금속, 특히준금속 (semimetal) 으로취급된다. 전도성질화물의결정구조는암염 (NaCl) 의구조를가지고있는매우단순한형태의결정으로써평균전도도는높은수위로도핑된반도체의전도도와거의비슷한크기를가지고있다. 즉, 전도성질화물이금속이기는하지만전도도는금속에비해상당히낮고반도체와유사한값을가진다는것이다. 또한, 도 2는 TiN/GaN 접합에서의전류 (I)-전압(V) 곡선을나타내는데, 도 2를참조하면전압이인가될때전류가선형적으로변화하는것을알수있다. 이는전도성질화물 (TiN) 과반도체 (p-형 GaN) 사이에계면을형성할경우통상의금속과반도체사이의계면에서발견되는쇼트키장벽은형성되지않고일반적인옴접합 (Ohmic contact) 이형성된다는것을의미한다. 즉, 전류를흐르게하기위해전압이일정이상필요한것이아니라, 낮은전압에서도전류가흐를수있다는것을보여준다. 전도성질화물 (TiN) 과반도체 (GaN) 접합의경계면에서는일함수값이높지않기때문에옴접합을이루는것이다. 따라서, TiN을통해 GaN으로전자가이동한다고할때장벽을느끼지않고이동할수있기때문에, 장벽을통한터널링시발생할수있는정보의손실 ( 예컨대, 전자의스핀상태의변화 ) 이없이통과할수있다. 또한, 전도성질화물은매우높은경도를가진물질로서일단박막이형성되면도 3에나타낸바와같이매우평탄한계면을가지는박막을형성할수있다. 그리고, 전도성질화물의대표적인물질인 TiN의경우반도체와구리또는알미늄사이의계면에서일어나는상호확산을억제하기위한확산장벽물질로서현대반도체산업에서일반적으로응용되고있는물질이다. 이와같은전도성질화물의일반적인성질을이용하여스핀전자소자의구현에있어핵심적인기술중의하나인효율적인스핀주입을위해전도성질화물을강자성물질과반도체사이의사이층으로사용하는것이다. 이와같이전도성질화물을사이층으로사용하면종래반도체와의깨끗한계면을형성할수없다고알려진산화물반금속 (CrO 2, 이중페로브스카이트등 ) 도스핀주입용전극으로사용할수있게된다. 그이유는반금속은직접반도 체와계면을형성하는것이아니라전도성질화물과계면을형성하는데전도성질화물의경우경도가매우높고단순한결정구조를가지기때문에산화물반금속과깨끗한계면을형성할수있기때문이다. 이경우사용가능한반도체로는 Si, GaAs, GaN 등의반도체물질이가능하다. Si의경우이미 TiN과좋은계면을이룬다고잘알려져있으며현재 Si 기반반도체산업에서광범위하게응용되고있다. 또한, TiN 박막은 GaN과결정성이좋은계면을만드는것으로보고되어있으며, 도 3에계면의구조에대한고해상도투과전자현미경분석결과를도시하였다. <29> <30> <31> <32> 다음으로, 상기와같은다층막구조를제조하기위한방법을설명하도록한다. 본발명에의한전도성질화물을사이층으로사용한높은스핀주입효율을갖는다층막구조의제조방법은반도체층위에전도성질화물사이층또는전이금속이첨가된전도성질화물사이층을형성하는단계와, 상기형성된전도성질화물사이층위에강자성재료로이루어진스핀주입전극층을형성하는단계로이루어진다. 전이금속이첨가된전도성질화물사이층형성방법을구체적으로설명하면다음과같다. 첫째, 먼저전도성질화물박막을반응성스퍼터링방법을사용해박막을형성한후전이금속을이온주입방법을통해나중에첨가하는방법이다. 이때질화물박막은통상의질화물형성방법을사용하며, 제조된박막은통상적으로수나노미터내지수십나노미터의두께를갖는다. 통상의질화물형성방법은반응성스퍼터링이가장널리사용되지만이에국한될필요는없다. 왜냐하면전도성질화물박막은어떤방법을사용해서제조하더라도암염구조를가지며화학량론 (stoichiometry) 이 1:1에근접하면되기때문이다. 스퍼터링이외의다른방법의대표적인예로는 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) 을들수있다. 기 ( 旣 ) 제조된전도성질화물에전이금속원소를첨가한다. 주로사용될수있는방법은이온주입 (ion implantation) 이며, 통상의에너지는원자당 100 kev에서 500 kev의에너지를사용한다. 이온주입외에높은에너지를가지며원소가주입되는방법은어떤방법이든적용이가능하다. 전도성질화물은높은강도를가지기때문에높은에너지의원자가박막에첨가되어야만박막내부로혼입될수있다. - 5 -
<33> <34> 둘째, 전도성질화물박막을형성함과동시에전이금속을첨가하는방법이있다. 동시에첨가하는방법으로는통상의전도성질화물을형성하는반응성스퍼터링에전이금속타겟 (target) 을추가하는방식을예로들수있으나, 이런방식에국한되지않는다. 왜냐하면전도성질화물에전이금속이치환되기만하면자기적성질을나타낼수있기때문이다. 그외의방법으로는분자빔성장법 (Molecular Beam Epitaxy) 또는그외의높은결정성을가진방법모두를포괄한다. 전이금속이전도성질화물에첨가되면자기적성질을띠는현상을이용하여반도체로효율적인스핀주입을가능하게하는방법으로서일단전도성질화물의암염결정구조에전이금속이치환된구조를가질수있다면기 ( 旣 ) 예시된방법에국한되지않는다. 제조된전도성질화물박막에강자성재료로이루어진박막을형성하는단계에서는강자성금속박막을형성하는방법, 예컨대스퍼터링또는물리증착법을사용할수있다. 또한반금속박막 (CrO 2, 이중페로브스카이트 등 ) 의경우통상화학기상증착법 (Chemical Vapor Deposition) 을사용할수도있다. <35> <36> 발명의효과상술한바와같이, 본발명에의하면추가적인장비의제조를요하지않고기조업중인장비의수정만으로높은수준의스핀주입효과를기대할수있는다층막구조의제조가가능하다. 또한, 본발명에의한다층막구조는반도체로의높은스핀주입효율을갖는바스핀전자소자, 예컨대스핀장효과트랜지스터 (spin field effect transistor), 스핀주입기 (spin injector), 스핀필터 (spin filter), 고경도자성소자 (high hardness magnetic device) 등의분야에서유용하게사용될수있다. 비록발명이상기에서언급된바람직한실시예에관하여설명되어졌으나. 발명의요지와범위를벗어남이없이많은다른가능한수정과변형이이루어질수있다. 따라서첨부된청구범위는발명의진정한범위내에속하는이러한수정과변형을포함할것이라생각된다. <1> <2> <3> <4> <5> <6> <7> 도면의간단한설명도 1은본발명에따라전도성질화물을사이층으로사용한높은스핀주입효율을갖는다층막구조의모식도, 도 2는 p-형 GaN 기판에 TiN 박막을형성할경우옴접합이나타나는실험결과를도시한그래프, 도 3은 p-형 GaN 기판에 TiN 박막을형성할경우얻어지는계면구조에대한고해상도투과형전자현미경 (High Resolution Transmission Electron Microscopy) 사진이다. *** 도면의주요부분에대한부호의설명 *** 1: 스핀주입전극층 2: 전도성질화물사이층 3: 반도체층 도면 도면 1-6 -
도면 2 도면 3-7 -