We investigated the fabrication and characteristics of the nitride-based spin-polarized LEDs with room-temperature ferromagnetic (Ga,Mn)N layer as a spin injection source. The (Ga,Mn)N thin films having room-temperature ferromagnetic ordering were found to exhibit the negative MR and anomalous Hall resistance up to room temperature, revealing the existence of spin-polarized electrons in (Ga,Mn)N films at room temperature. The electrical characteristics in the spin LEDs did not degraded in spite of the insertion of the (Ga,Mn)N layer into the LED structure. In EL spectra of the spin LEDs, it is confirmed that the devices produce intense EL emission at 7 K as well as room temperature. These results are expected to open up new opportunities to realize room-temperature operating semiconductor spintronic devices.
First-principles calculations based on spin density functional theory are performed to study the spin-resolved electronic properties of AlN doped with a Cu concentration of 6.25%-18.75%. The ferromagnetic state is more energetically favorable state than the antiferromagnetic state or the nonmagnetic state. For $Al_{0.9375}Cu_{0.0625}N$, a global magnetic moment of 1.26 mB per supercell, with a localized magnetic moment of 0.75 $m_B$ per Cu atom is found. The magnetic moment is reduced due to an increase in the number of Cu atoms occupying adjacent cation lattice position. For $Al_{0.8125}Cu_{0.1875}N$, the magnetism of the supercell disappears by the interaction of the neighboring Cu atoms. The nonmagnetic to ferromagnetic phase transition is found to occur at this Cu concentration. The range of concentrations that are spin-polarized should be restricted within very narrow.
We studied the electronic and magnetic properties for the Mn-doped chalcopyrite (CH) AlAs, GaAs, and AlGaAs2 semiconductor by using the first-principles calculations. The chalcopyrite AlGaP2, AlGaAsP, and AlGaAs2 compounds have a semiconductor characters with a small band-gap. The interaction between Mn-3d and As-4p states at the Fermi level dominate rather than the other states. The ferromagnetic ordering of dopant Mn with high magnetic moment is induced due to the Mn(3d)-As(4p) strong coupling, which is attributed by the partially filled As-4p bands. The holes are mediated with keeping their 3d-electrons, therefore the ferromagnetic state is stabilized by this double-exchange mechanism. We noted that the ferromagnetic state with high magnetic moment is originated from the hybridized As(4p)-Mn(3d)-As(4p) interaction mediated by the holes-carrier.
The injection of spins into nonmagnetic semiconductors has recently attracted great interest due to the potential to create new classes of spin-dependent electronic devices. A recent strategy to achieve control over the spin degree of freedom is based on dilute ferromagnetic semiconductors. Ferromagnetism has been reported in various semiconductor groups including II-Ⅵ, III-V, IV and II-IV,-V$_2$, which will be reviewed. On the other hand, to date the low solubility of magnetic ions in non-magnetic semiconductor hosts and/or low Curie temperature have limited the opportunities. Therefore the search for other promising ferromagnetic semiconducting materials, with high magnetic moments and high Curie temperatures (Tc), is of the utmost importance. In this talk, we also introduce new pure ferromagnetic semiconductors, MnGeP$_2$ and MnGeAs$_2$, exhibiting ferromagnetism and a magnetic moment per Mn at 5K larger than 2.40 ${\mu}$B. The calculated electronic structures using the FLAPW method show an indirect energy gap of 0.24 and 0.06 eV, respectively. We have observed spin injection in MnGeP$_2$ and MnGeAs$_2$ magnetic tunnel junctions through semiconducting barriers.
Polycrystalline $Ti_{1-x}Co_xO_2$ thin films on $SiO_2$ (200 nm)/Si (100) substrates were prepared using liquid-delivery metalorganic chemical vapor deposition. Microstructures and ferromagnetic properties were investigated as a function of doped Co concentration. Ferromagnetic behaviors of polycrystalline films were observed at room temperature, and the magnetic and structural properties strongly depended on the Co distribution, which varied widely with doped Co concentration. The annealed $Ti_{1-x}Co_xO_2$ thin films with $x{\leq}0.05$ showed a homogeneous structure without any clusters, and pure ferromagnetic properties of thin films are only attributed to the $Ti_{1-x}Co_xO_2$ (TCO) phases. On the other hand, in case of thin films above x=0.05, Co clusters formed in a homogeneous $Ti_{1-x}Co_xO_2$ Phase, and the overall ferromagnetic (FM) properties depended on both $FM_{TCO}$ and $FM_{Co}$. Co clusters with about 10nm-150nm size decreased the value of Mr (the remanent magnetization) and increased the saturation magnetic field.
Metallic magnetoelectronic devices have studied intensively and extensively for last decade because of the scientific interest as well as great technological importance. Recently, the scientific activity in spintronics field is extending to the hybrid devices using ferromagnetic/semiconductor heterostructures and to new ferromagnetic semiconductor materials for future devices. In case of the hybrid device, conductivity mismatch problem for metal/semiconductor interface will be able to circumvent when the device operates in ballistic regime. In this respect, spin-valve transistor, first reported by Monsma, is based on spin dependent transport of hot electrons rather than electron near the Fermi energy. Although the spin-valve transistor showed large magnetocurrent ratio more than 300%, but low transfer ratio of the order of 10$\^$-5/ prevents the potential applications. In order to enhance the collector current, we have prepared magnetic tunneling transistor (MTT) with single ferromagnetic base on Si(100) collector by magnetron sputtering process. We have changed the resistance of tunneling emitter and the thickness of baser layer in the MTT structure to increase collector current. The high transfer ratio of 10$\^$-4/ range at bias voltage of more than 1.8 V, collector current of near l ${\mu}$A, and magnetocurrent ratio or 55% in Si-based MTT are obtained at 77K. These results suggest a promising candidate for future spintronic applications.
The electronic and magnetic properties for Mn-adsorbed on the chalcopyrite (CH) AlGaP2 semiconductor are investigated by using first-principles FPLMTO method. The clean CH-AlGaP2 without adsorbed Mn is a p-type semiconductor with a direct band-gap. The Mn-adsorbed CH-AlGaP2 exhibits the ferromagnetic state. It is more energetically stable than the other magnetic ones. The interstitial site on P-terminated surface is more energetically favorable one than the Al/Ga-terminated surface, or the other adsorbing sites. In the case of Mn-adsorbed Al/Ga-terminated surface, it is induced a strong coupling between Mn-3d and neighboring P-3p electrons. The holes of partially unoccupied minority Mn-3d state and majority (or minority) Al-3p or P-3p state are induced. Thus a high magnetic moment of Mn is sustained by holes-mediated double-exchange coupling. It is noticeable that the semiconducting and half-metallic characteristics of CH-AlGaP2:Mn thin film is disappeared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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