스핀전자소자 연구 분야의 가장 큰 관심은 전하와 스핀의 자유도를 동시에 고려하여 메모리 및 논리용 트랜지스터를 구현하려는데 있다. 스핀 분극 된 전자를 자성금속으로부터 상자성 및 절연체를 이용하여 또 다른 자성체 및 반도체, 초전도체에 주입하는 일 (Spin injection)에 관한 연구가 일부 진행되어 왔다. 두 개의 자성 금속 사이에 Au등의 상자성 금속을 끼워 넣는 구조로 한쪽의 자성금속을 스핀 소스로 사용하여 상자성 금속에 스핀을 주입하고 다른 쪽의 자성금속으로 주입된 스핀을 검출하는 스핀 스위치 저장소자로서의 양극 스핀 트랜지스터 (bipolar spin transistor)를 많은 연구소에서 제조 연구하였다. (중략)
자성체에서 비자성체로의 스핀주입(spin injection)을 설명하는 퍼짐이론(diffusion theory)에 대해서 살펴보았다. 먼저 기본 방정식을 유도하고, 그것을 강자성체/비자성체/강자성체 구조에 적용시켜, 스핀극나뉨과 자기저항을 구하였다. 주입된 스핀극나뉨 전류를 자기저항으로 검출하기 어려운 물리적 이유를 설명하고, 그 해결 방안에 대해서 논의하였다.
반도체를 이용한 스핀트로닉스(spintronics) 기술은 Spin LED, Spin FET 그리고 Spin RTD 등과 같은 차세대 신개념 소자에 응용될 수 있다는 점에서 상당한 각광을 받고 있다[1]. 이 중에서 강자성체의 박막을 사용하여 스핀 분극된 전자를 주입(inject)하고 반도체 내에 스핀 분극된 전자를 이동(transport)시킨 다음, 강자성체의 박막으로 이러한 스핀을 검출(detect) 할 수 있는 기술이 개발된다면 앞으로 새로운 분야의 가능성이 열릴 수 있다고 기대할 수 있다[2,3]. (중략)
반도체 스핀트로닉스는 자성체와 반도체를 결합하여 반도체 내에서의 전자 스핀을 이용하는 새로운 형태의 자성체-반도체 융합기술이며, 스핀 트랜지스터는 반도체 스핀트로닉스의 대표적인 소자이다. 이 소자를 실현하면, 반도체 내에 전자 스핀을 주입, 제어, 검출함으로써, 한 소자 내에서 정보처리와 정보저장을 동시에 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 반도체 산업의 주축 물질인 실리콘을 이용하여 스핀 트랜지스터를 실현한다면, 이는 정보 산업에 중대한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이 글에서는 최근 실리콘 스핀트로닉스 분야에서의 주요한 진전을 소개하고, 앞으로의 기술적 과제에 대하여 간단히 기술하고자 한다.
반도체 전자 소자의 초고집적회로(VLSI, Very Large Scale Integrated Circuit)가 수년간 지속됨에 따라 실리콘 기반으로 하는 MOSFET 성능의 한계에 도달하게 되었다. 재료 물성, 축소, 소자 공정 등에 대한 원인으로 이를 극복하고자 하는 재료와 성능향상에 관한 연구가 진행되고 있다. 이에 기존 시스템의 전자의 전하 정보만을 응용하는 것이 아니라 전자의 스핀 정보까지 고려하는 스핀트로닉스 연구분야가 주목을 받고 있다. Spin-FET는 스핀 주입, 스핀 조절, 스핀측정 등으로 나뉘어 연구되고 있으며 이 중 스핀 주입의 효율 향상이 우선시 해결되어야 한다. 일반적으로 스핀 주입 과정에서 소스가 되는 강자성체와 스핀 확산 거리가 긴 반도체 물질과의 Conductance mismatch가 문제되고 있다. 이에 자성 반도체는 근본적인 문제를 해결하고 반도체와 자성체의 특성을 동시에 나타내는 물질로써, Si과 Ge (4족) 등의 반도체뿐만 아니라, GaAs, InP (3-5족), ZnO, ZnTe (2-6족) 등의 반도체 또한 많은 연구가 이루어지고 있다. 자성 반도체에서 해결해야 할 가장 큰 문제는 물질이 자성을 잃는 Curie 온도를 상온 이상으로 높이는 것이다. 이에 본 연구는 전이금속이 도핑된 4족 Si 반도체 박막을 성장하고 후처리 공정을 통하여 나타나는 구조적, 자기적 특성을 연구하였다. 펄스 레이저 증착 방법을 통하여 p-type Si 기판위에 전이금속 Fe이 도핑된 박막을 500 nm 로 성장하였다. 성장 온도는 $250^{\circ}C$로 하였고, 성장 분압은 $3 {\times}10^{-3}$Torr 로 유지하며 $N_2$ 가스를 사용하였다. 구조적 결과를 보기 위해 X선 회절 분석과 원자력 현미경 결과를 확인하였고, 자기적 특성을 확인하기 위해 저온에서 초전도 양자 간섭계로 조사하였다. XRD를 통해 (002)면, (004)면의 Si 기판 결정을 보았으며, Fe 관련된 이차상이 형성됨을 예측해 보았다. ($Fe_3Si$, $Fe_2Si$ 등) 초전도 양자 간섭계에서 20 K에서 측정한 이력 현상을 관찰하고, 온도변화에 따른 전체 자기모멘트를 관찰하였으며 이는 상온에서도 강자성 특성이 나타남을 확인하였다.
에피성장된 Fe/GaAs 적층구조에서의 스핀 주입 실험을 하였다. Fe와 GaAs 사이에 Schottky tunnel barrier를 형성시키기 위하여 높게 도핑된 GaAs 층을 channel 층 위에 성장하였다. 스핀전달에 의한 chemical potential 차이만을 검출하기 위해서 전압 측정 단자 사이에 전류 흐름이 포함되지 않는 non-local 측정방법을 사용하였다. 그 결과 두 강자성 전극이 반평행한 구간에서 dip이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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