게이트 전압을 이용한 하이브리드 홀 소자의 특성에 관한 연구 = Gated hall effect in a hybrid ferromagnet/semiconductor device

국문 초록 (Abstract)

최근 강자성체와 반도체의 접합을 기반으로 하는 스핀전자소자의 개발이 활발하게 연구되고 있다. 그 중 강자성체의 국소자기장을 이용한 하이브리드 홀 소자에 관해 많은 관심을 갖고 연구가 진행되고 있다. 홀 교차점 위에 위치한 강자성체를 자화시키면 강자성체의 한쪽 끝에서 국소자기장이 발생하고, 이 국소자기장이 홀 교차점에 수직으로 작용하여 홀 효과를 발생시킨다. 이 때, 나타나는 신호는 선형적이 아닌 강자성체의 자기이력곡선에 의존하여 나타나게 되므로 비휘발성의 특성을 갖게 되어 메모리와 논리소자로의 응용이 가능하다. 게다가 하이브리드 홀 소자는 간단한 제작공정과 나노크기에서도 작동원리가 그대로 유지되는 장점으로 인해 쉽게 소자의 축소화를 이룰 수 있다.InSb는 전자이동도가 매우 높고 밴드 갭 에너지가 작아 홀 센서로 널리 사용되고 있는 물질이다. 또한, InAs나 GaAs 2DEG에 비해 쉽게 박막을 얻을 수 있으므로 하이브리드 홀 소자로 응용 가능성이 보다 높다. 본 연구에서는 이와 같은 InSb의 우수한 특성을 이용하여 InSb 박막위에 하이브리드 홀 소자를 제작하여 그 특성을 조사하였다.강자성체에서 발생하는 국소자기장의 세기는 강자성체의 자화정도에 따라 달라진다. 홀 교차점에 강한 수직성분의 국소자기장이 작용하면 이에 반응하여 나타나는 홀 출력은 강자성체의 자기이력곡선의 형태로 나타나며 인가자기장을 제거하여도 강자성체는 자화상태를 유지하므로 이에 따라 홀 출력이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 홀 출력의 크기를 증가시키기 위해 게이트 효과를 이용하여 전자농도를 변화시켰으며, 게이트 전압의 유/무에 따른 홀 출력의 변화를 비교하였다. 게이트 전압을 인가하지 않았을 경우 (Vg = 0 V), △RH = 2.5 Ω, -25 V 의 게이트 전압을 인가했을 경우 (Vg = -25 V), △RH = 3.5 Ω 으로 -25 V 의 게이트 전압을 인가한 경우 약 40%의 홀 출력의 증가를 확인하였다. 게이트 전압에 따른 전하농도변화를 알아보기 위해 자기장을 홀 교차점에 수직으로 인가하면서 자기장의 변화에 대한 홀 저항의 변화를 알아보았다. 게이트 전압을 인가하지 않았을 때의 전하농도는 3 × 1016 cm3 , -25 V 의 게이트 전압이 인가된 때는 2.5 × 1016 cm3 으로 게이트 전압을 걸었을 때 전하농도의 감소를 확인하였으며, 게이트 효과를 통해 전자의 농도를 변화시켜 홀 출력을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.페라이트 기판 위의 InSb 홀 패턴에서 특이한 현상이 관찰되었다. 박막에 평행한 방향으로 자기장을 인가한 경우 ±50 Oe 범위에서 자기장에 대한 저항의 변화가 10 mΩ/Oe 정도의 감응도를 갖는 신호가 나타났다. 이러한 변칙적인 planar Hall(PH) 효과의 원인은 작은 자기장 영역에서의 Bloch 자벽의 이동에 의해 나타난다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A novel spintronic device based on hybrid ferromagnet/semiconductor microstructures has recently attracted considerable interests due to the possibility of device applications such as magnetic field sensors, integrated nonvolatile memory cells. A hybrid type device incorporating a semiconductor cross junction and single ferromagnetic metal film is very useful for easy manipulation of magnetization and strong ferromagnetism even in a micron scales. It has been demonstrated that large local fringe fields emanating from an edge of a ferromagnetic element on GaAs and InAs two dimensional electron gas (2DEG) have a strong perpendicular magnetic component, generating a Hall resistance at room temperature.InSb semiconductor has intriguing properties such as high room temperature mobility and narrow energy band gap so that it is widely used as Hall sensors and infrared detectors. Especially, high magnetoresistance (MR) of InSb resulting from an ideal combination of ordinary MR (OMR) and geometric MR (GMR) makes it useful for read-head sensors for ultra-high-density magnetic recording. The work aims at exploring the feasibility of hybrid Hall device on InSb.We present the local Hall effect in a hybrid Hall device incorporating a micron-scaled InSb semiconductor cross junction and a single ferromagnetic element. A clear hysteresis loop was found to appear in the output signal for the cross junction with a ferromagnetic element due to the strong perpendicular component of the magnetic fringe field emanating from the edge of the ferromagnet. We demonstrate that the local fringe field from the ferromagnetic element inducing a Hall voltage improves the Hall sensitivity (4.5 Ω/Oe). We also investigated a gate effect of hybrid Hall device by introducing Au gate between a ferromagnetic element and InSb Hall cross. Hall voltage is clearly amplified by a factor of ～40 % when gate voltage of -25 V is applied. The increase is responsible for the reduction of carrier density affected by the gate confinement effect.We have investigated planar Hall (PH) effect of InSb film on Ni-Zn ferrite substrate. An abrupt change in PH deviated from a normal PH curve was found on a ferrite substrate within a low field range of -50 ～ 50 Oe. This is mainly attributed to the presence of the Bloch wall of Ni-Zn ferrite underneath InSb Hall cross. Intragranular domain wall movement is believed to be a prime source of the anomalous PH behavior in the low field range. The linear field dependence of Ph in a resolution of 10 mΩ/Oe is sensitive high enough to be used as low-field magnetic sensors.