본 논문은 캐스코드 구조에서의 바이어스 조건에 대해 분석하고 이를 이용하여 C-Band용 마이크로파 수신기에서의 자기발진믹서를 분석하였다. 자기발진믹서는 두 개의 FET에 의해서 동작되며 상위 FET는 비교적 높은 Q값을 가지는 유전체공진기에 의해서 발진기로 동작하도록 하였으며, 아래쪽 FET는 믹서로 동작시켰다. 모의실험 결과에 의해 초기 드레인 전압은 $V_{ds}$ =2.5V이고 게이트바이어스 전압은 $V_{gs1}$=-0.2V와 $V_{g2}$=0V로 선정하였다. 선정된 바이어스를 통해 설계된 5.15GHz의 발진기 출력은 5.92dBm, 위상잡음은 -132.0dBc/100KHz, 믹서의 변환손실은 약 -3dB를 얻었다.얻었다.
우수한 연자성 특성과 자왜 특성을 동시에 나타내는 철계 아몰퍼스 박막을 이용한 고기능성 센서나 신호처리소자와 같은 자기탄성 디바이스를 구현하기 위해서는 자기이방성의 제어가 필요하다. 본 연구에서는 철계 아몰퍼스 박막의 자기이방성을 제어하기 위해서 바이어스 응력을 이용한 자기이방성제어 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 박막의 기판을 굴곡시킨 상태에서 열처리를 실시하여 박막의 응력을 해소하고, 열처리 후 박막기판의 형상을 원상으로 복귀시켜서 박막에 바이어스 응력이 인가되도록 하고, 이 응력에 의해서 박막의 자기이방성이 제어되도록 하는 것이다. 응력을 이용하여 자기이방성을 제어한 박막패턴을 자구의 관찰과 자화곡선의 평가를 고찰한 결과, 제안한 자기이방성 제어방법이 유용함을 알 수 있었다.
강자성 공명 측정을 통하여 다양한 층 구성을 갖는 교환 바이어스 박막들의 교환 결합 특성에 대해 연구하였다. 공명자기장의 각도의존 실험을 통하여 일축방향이방성 자기장과 일축이방성 자기장을 구하여 분석하였다. NiFe 단일 박막과 비교하여 교환 바이어스된 NiFe/IrMn, IrMn/NiFe/IrMn, NiFe/IrMn/CoFe 박막들은 큰 일축방향이방성 자기장을 나타내었으며, 일축이방성 자기장 또한 큰 값을 나타내었다. 그러나 NiFe/Cu/IrMn의 경우, Cu의 두께가 두꺼울 때는 매우 작은 일축방향이방성 자기장을 나타내었으며, NiFe 단일 박막과 비슷한 크기의 일축이방성 자기장을 나타내었다. NiFe/IrMn/CoFe 박막의 경우 NiFe와 CoFe 강자성층들에 의해 두 개의 공명 자기장이 나타났다. 그 외에 공명 자기장의 선폭에 관한 분석이 교환 바이어스 특성과 연관하여 논의되어졌다.
NiFe와 TbCo의 게면에서의 자기 교환 결합을 이용하여 자기 저항 소자에 수평 및 수직 바이어스 자장을 제공할수 있도록 $NiFe/TbCo/Si_3N_4$ 박막을 제조하였다. Tb의 면적비가 36 %이고, 기판 바이어스를 인가하지 않았을때 100~180 Oe의 교환 자장을 얻을 수 있었다. NiFe, TbCo, 그리고 보호막으로 사용되는 $Si_3N_4$ 각층의 두께는 각각 $470\;{\AA},\;2400\;{\AA},\;600\;{\AA}$ 이었다. NiFe를 1000 W의 전력과 2.5 mTorr의 아르곤 압력에 제작한 시편에서 1.45 %의 자기 저항 변화율을 얻을 수 있었다. 미세 소자로 제작된 NiFe의 자기 저항 변화율은 1.31 %로 감소 하였으며, 감자화 자장의 영향으로 박막이 완전히 포화되지 못한 곡선을 보였다. 150 Oe의 교환 자 장을 갖는 박막을 자화 용이 방향과 $36^{\circ}$의 각도로 소자를 제작한 결과 약 85 Oe 정도의 자기 저항 응답 곡선의 천이를 보였으며, 소자의 동작점이 응답의 선형 구간으로 이동하였다. 또한 Barkhausen 잡음이 교환 자장에 의한 수평 바이어스에 의하여 제거되었다.
본 연구에서는 대표적인 수직자기 이방성 물질인 $[Pd/Co]_5$ 초격자 다층박막 구조에서 교환 바이어스 현상을 연구하기 위해 Si/$[Pd/Co]_5$/FeMn 구조의 시료를 제작하고, FeMn 층의 두께 변화에 따른 교환바이어스의 변화에 대한 연구를 자기이력곡선의 측정을 통해 수행하였다. 그리고 수직자기 이방성을 최적화하기 위해 Pd의 두께를 1.1 nm로 고정하고 강자성인 Co의 두께 변화에 따른 수직자기이방성 변화를 고찰하였다. 그 결과, FeMn 층이 없을 때 Co의 두께 0.3 nm에서 가장 큰 보자력을 보였다. FeMn 층의 두께를 고정시킨 후 Co의 두께 변화를 관찰하였을 때도 0.3 nm일 때 가장 큰 교환 바이어스가 관찰되었다. FeMn 층의 두께 변화에 대해서는 FeMn 층의 두께가 5 nm일 때 보자력이 가장 크게 나타났으며, 그 이상에서는 일정한 값을 가졌다. FeMn 층의 두께가 3 nm 이하일 때는 교환바이어스 효과가 관찰되지 않았으며, 15 nm가 될 때까지 지속적으로 증가하는 결과를 관찰하였다.
자기 저항 헤드용 자기 교환 결합 $NiFe/TbCo/Sio_{2}$ 박막을 RF diode 스퍼터링 방법을 이용하여 제조하고, 그 자기적 특성을 측정하였다. TbCo 박막은 Co 타겟 위에 Tb 조각을 부착한 복합 타겟을 사용하였다. 30%의 Tb 면적을 갖는 타겟으로 제조된 NiFe($400\AA$)/TbCo($1500\AA$)/$SiO_{2}$($500\AA$) 시편은 기판 바이어스를 인가하지 않았을 때 25 Oe, 기판 바이어스-55 V를 인가했을 때 12 Oe의 교환자장을 나타냈다. 기판 바이어스 -55 V 이하에서 유효 수평 보자력으 TbCo 층의 수직 보자력에 거의 비례하였고, 28%의 Tb 면적비를 갖는 시편에서도 같은 경향을 나타내었다. 그러나, 교환 자장은 기판 바이어스가 인가되지 않은 경우에 4 Oe로, -55 V에서 7 Oe로 각각 감소하 였다. 1000 W, Tb 면적비 36%에서 증착된 시편에서 100 Oe 정도의 교환 자장을 얻었으며, 보자력은 3 Oe로 작았다. 그리고, NiFe의 두께가 두꺼워짐에 따라 교환 자장의 크기가 감소하였다.
기판/Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta 스핀밸브에서 Ta 성막 후에 자유층 NiFe 스퍼터 증착시 가해진 기판 바이어스 전압에 의해 야기된 Ta/NiFe 계면에서의 원자섞임이 자기저항에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 최대 자기 저항비 (MR ratio)를 나타내는 자유층의 적정두께는 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가하였다. 이러한 현상의 원인은 바이러스 전압이 증가함에 따라 Ta과 NiFe의 원자섞임으로 계면에 있는 NiFe층 일부가 약한 강자성 또는 상자성화되어 스핀 비의존 산란을 하는 원자섞임층의 두께가 증가하였기 때문이다. 원자섞임층의 존재는 전기저항 변화와 자화량 변화로부터 증명하였다. 또 본 실험에서 비록 NiFe 증착시 기판 바이어스 전압이 변화더라도 최대 자기저항비를 갖는 최적 "유효" 자유층 두께는 기판 바이어스 전압에 무관하게 일정하였다.관하게 일정하였다.
본 논문은 캐스코드결합에 의한 마이크로파 자기발진믹서를 설계하기 위하여 믹서가 최적 변환이득을 나타내는 바이어스 조건에 대해 분석하였다. 마이크로파 자기발진믹서는 두 개의 GaAs MESFET를 케스코드 결합시켰으며 상위 MESFET는 비교적 높은 Q값을 가지는 유전체공진기에 의해서 발진기로 동작시키고 아래쪽 FET는 저잡음 특성과 최적의 변환이득을 나타내는 믹서로서 동작시켰다. 분석결과 드레인 전압은 $V_{ds}=2.5V$이고 게이트바이어스 전압은 $V_{gs1}=-0.2V와 \;V_{g2}=0V$로 선정하였을 때 설계된 5.15Ghz의 발진기 출력은 5.92dBm, 위상잡음은 -132.0dBc@100KHz, 믹서의 변환손실은 약 -3dB를 나타내어 이론에 의한 자기발진믹서를 설계할 수 있음을 보였다.
RFID Reader IC에 응용하기 위한 저전압 특성의 5차 일립틱 CMOS Gm-C 필터를 설계하였다. 설계된 필터는 CMOS 자기바이어스 차동 트랜스컨덕터를 설계하여 구성하였으며 차동 트랜스컨덕터는 기존의 자기 바이어스 차동증폭기의 이득특성을 개선하기 위하여 병렬형으로 구성되었다. 설계된 필터는 RFID 리더용 저전압 필터 설계사양에 따라 1.8V의 저전압으로 동작이 가능하도록 설계되었다. 1.8V, 0.18${\mu}m$CMOS 공정 파라미터를 사용하여 HSPICE 시뮬레이션 결과, 설계된 5차 일립틱 저역 필터가 설계사양인 1.35MHz의 차단주파수를 만족함을 확인하였다.
본 연구에서는 원통형 페라이트 코어와 페라이트코어를 관통하는 구리선, 그리고 검출 코일을 이용하여서 직교형 플럭스게이트 센서를 제작하고, 직류 바이어스 전류가 출력 감도에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 제작한 직교형 플럭스게이트 센서의 출력 및 감도는 구동주파수에 의존하였으며, 이는 검출코일 임피던스의 주파수특성이 나타내는 경향과 유사하였다. 직류 바이어스 전류가 교류 구동전류의 크기에 비해서 대략 50% 이상일 때 출력감도가 최대가 되었으며, 그 보다 큰 직류 바이어스 전류에 의해서는 출력감도가 포화되는 경향을 나타내었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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