Co/GaMnAs 하이브리드 소자의 자기수송 특성

Abstract

본 논문에서는 최근 개발된 반도체와 자성체 특성을 동시에 지닌 자성반도체의 독특한 물리적 성질을 이용하여 소자로 활용하기 위한 응용분야를 제시하는 것으로 자성반도체와 나노자성체를 복합화시켜 새로운 성능과 특성을 갖는 신개념 자성반도체/나노자성체 스핀전자소자를 제시하였다. 또한, 자성반도체의 물리적 성질을 조사하고, 나노자성체를 제작하여 그것의 자기적 상태를 확인하고 분석하였다. 제작한 자성반도체 GaMnAs는 저온 분자선 성장법 (Low temp. Molecular Beam Epitaxy, MBE) 으로 100nm의 두께로 성장하였고, Mn의 농도는 5%, 큐리온도는 100K 정도로 확인하였다. 나노자성체는 스퍼터링 (Sputtering) 방법과 식각 공정을 사용하여 제작하였고, Co를 재료로 사용하였으며, 그것의 두께와 크기에 따라 자기적 상태를 다르게 조절하였다. 그리고 일반적인 광 노광기술, 증착법, 이온밀링법 등을 통하여 신개념 자성반도체/나노자성체 하이브리드 소자를 완성하였다. 특히, 자성반도체와 나노자성체와의 전기적 접촉을 피하기 위하여 바나듐 50nm를 스퍼터링 방법으로 증착하였다. 제작된 스핀전자소자의 전도 채널은 길이 10μm, 폭 1μm의 구조를 갖는다. 나노자성체의 자기적 상태는 자기력 현미경 (Magnetic Force Microscope, MFM) 으로, GaMnAs 박막은 PPMS (Physical Property Measurement System) 를 사용하여 자기수송 특성을 조사하였다. 제작된 스핀전자소자는 SEM (Scanning Electron Microscopy) 을 통해 나노자성체의 크기와 소자의 구조를 확인하였으며, PPMS를 사용하여 물리적 성질을 조사하였다. SEM과 자기력 현미경 분석 결과 나노자성체는 600 300nm2 의 타원체 모형을 갖고 20nm 두께일 때 단자구 형태 (Single Domain) 를 나타내었으며, 900 800 20nm3 크기에서는 소용돌이 구조 (Vortex States) 를 확인하였다. 또한 PPMS 측정으로부터, GaMnAs의 이방성 자기수송 (Anisotropic Magnetotransport) 특성과 평면 Hall 효과 (Planar Hall Effect) 를 조사하고, 온도에 따른 저항변화로부터 큐리온도 (Curie temperature) 를 확인하였다. 낮은 외부자기장 영역에서는 자기장과 전류의 방향에 따라 저항변화가 두드러지게 나타났을 뿐만 아니라, 나노자성체의 불균일한 자기장의 영향으로 자기저항 변화 추이를 확인하였다. 신개념 스핀전자소자는 나노자성체의 자화상태에 따라 매우 다른 자기수송 특성을 나타내었으며, 주된 이유는 나노자성체와 자성반도체 사이의 전자-전자 교환 결합력이 아니라 정자기 에너지 (Magneto Static Energy) 에 의한 영향으로 판단된다. 자성반도체/나노자성체 하이브리드 소자는 신개념 스핀전자소자의 원천기술로 향후 차세대 정보산업에 직결되는 새로운 개념의 정보 산업용 나노 소자의 창출에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망한다.; The influence of Co nanodots on the transport properties of the GaMnAs was investigated to give a new functionality of GaMnAs diluted magnetic semiconductor (DMS). Magnetoresistance of GaMnAs was strongly dependent on the orientation of applied magnetic field owing to the magnetization anisotropy of GaMnAs. MFM observation revealed the array of Co dots on top of GaMnAs was uniform single domain state. The magnetization reversal of the single domain state of Co nanodot yields a substantial change in the longitudinal magnetoresistance of GaMnAs. It is attributed not to the exchange interaction but to the magnetostatic interaction. Because, inserted dielectric V layer between Co dots and GaMnAs prevents the exchange interaction between them. Array of Co dot was a major source to create effective local magnetic field. Magnetization of single domain Co nanodots can be controlled by either external magnetic field or local magnetic field induced by a magnetic force microscope (MFM) tip. With such a way, we can create different distribution of magnetizations in an array structure resulting in an inhomogeneous local magnetic field. This field was regarded to act as an effective potential that may affect the spin polarized carriers in GaMnAs. Therefore, the hybrid device suggested in the work is believed to give an alternative way to extend the use of GaMnAs.