KR20010094744A - 좁은 밴드갭을 갖는 이종 반도체에 있어서의 실온에서의이상 자기저항 - Google Patents

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Abstract

금과 같은 도전성물질로 된 이종부분이 매립된 인듐 안티몬과 같은 동종의 비자성 반도체물질로 이루어진 대칭적인 반데르포 디스크(12)는 0.05 T, 0.25 T, 4.0 T에서 각각 100%, 9,000%, 750,000%의 이상 자기저항(EMR)을 실온에서 나타낸다. 또한, 주변의 반도체물질의 단면적에 비해 충분히 큰 단면적을 가진 이종부분에 대하여 상기 디스크의 저항은 개시 필드에 도달할 때까지는 필드와 무관하며, 개시 필드 이상에서는 빠르게 증가한다. 이러한 결과는 이종부분 주위의 전류의 필드 의존적인 편향의 측면에서 이해할 수 있다. 예를 들면, 매립된 도전성 이종부분(22)을 갖는 원형의 합성 반데르포 디스크 센서(12)를 외부 분류기를 갖춘 직사각형의 플레이트 구조로 변환시키는데 쌍선형 등각 매핑을 이용한다. 이에 따라 다양한 자기센서 응용에 있어서 중요한 중간 크기의 센서의 제조를 용이하게 하는 매우 단순한 구조로 EMR센서를 구현할 수 있다.

Description

좁은 밴드갭을 갖는 이종 반도체에 있어서의 실온에서의 이상 자기저항{EXTRAORDINARY MAGNETORESISTANCE AT ROOM TEMPERATURE IN INHOMOGENEOUS NARROW-GAP SEMICONDUCTORS}
자기저항 특성을 나타내는 다양한 형태의 센서들이 알려져 있으며, 특히 이러한 센서들은 테이프와 드럼 및 디스켓과 같은 자기 매체에 기록된 정보신호를 읽기 위한 시스템에 사용된다. 또한, 이러한 센서들은 샤프트(shaft)의 위치 및/또는 회전을 모니터하는데 사용되며, 근접 스위치(proximity switch)에 사용된다.
이러한 센서들은 일반적으로 높은 자기저항을 나타내는 강자성 합금으로 만들어진 부분을 포함하고 있다. 예컨대, 이러한 센서에 인접하여 지나가는 기록매체는 읽기 헤드에서 자기장에 변화가 일어나며 이에 따라 자기저항 센서의 전기 저항이 변화하게 된다.
미국특허 제5,965,283호(명칭: 자기저항 센서용 이종 반도체에서의 GMR 향상)에서는 도전물질을 높은 캐리어 이동도를 갖는 반도체물질의 매트릭스에 삽입하면 결합된 반도체물질과 도전물질의 자기저항이 증가한다는 것을 기술하고 있다.
J.A.Brug 등의 논문(명칭: 자기기록 헤드물질;MRS Bulletin, Vol.21, pp.23-27, 1996)에 기술된 바와 같이 자기저항 센서는 고밀도 정보 저장을 포함하는 몇몇 중요한 기술에 있어서 중요한 요소이다. 자기저항 센서가 사용되는 다른 중요한 기술은 J.P.Heremans의 "Magnetic Field Sensors for Magnetic Position Sensing in Automotive Applications," (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol.475, pp.63-74, 1997) 및 N.Kuze 등이 III-V Review의 Vol. 10, 28-31(1997)에 발표한 것과 같은 기계장치의 위치/속도를 감시하는 기술이다. 이러한 센서의 기술적인 영향은 실온(300K)에서의 자기저항(MR)의 크기에 의해 제한된다. 실온에 대한 반응을 향상시키기 위한 노력은 매우 큰 자기저항(Giant Magnetoresistance;GMR) (W.F. Egelhoff 등의 "Magnetoresistance values exceeding 21% in symmetric sping valves",Journal of Applied Physics, vol.78, pp.273-277, 1995 참조)을 나타내는 P.M. Levy의 "Giant Magnetoresistance in Magnetic Layered and Granular Materials" (Solid States Physics., vol.47, pp.367-462, 1994)에 기술된 것과 같은 물질과, 매우 큰 자기저항(Colossal Magnetoresistance;CMR)(S.Jin과 그외 등의 "Colossal magnetoresistance in La-Ca-Mn-O ferromagnetic thin films,"Journal of Applied Physics, Vol.76, pp.6929-6933, 1994 참조)을 나타내는 C.N.R. Rao 등의 "Colossal Magnetoresistance, Charge Ordering and Related Properties of Manganese Oxides" (World Scientific, Singapore, 1998)에 기술된 망가나이트 페로브스카이트(perovskites)와 같은 인위적으로 적층된 금속들에 대해집중되고 있다. CMR은 R.Xu 등의 "Large magnetoresistance in non-magnetic silver chalcogenides," (Nature, vol.390, pp.57-60, 1997)의 비자성 칼코제나이드(chalcogenide) 반도체에 대해서도 보고된 바 있다.
본 발명은 자기저항 센서에 관한 것으로, 특히 좁은 밴드갭(bandgap)을 갖는 이종(inhomogeneous) 반도체에 있어서 실온의 500가우스에서 100%보다 큰 이상 자기저항을 나타내는 센서에 관한 것이다.
도 1a는 반데르 포 디스크에 매립된 원형의 이종부분(inhomogeneity)을 나타낸 도면이며,
도 1b는 각기 다른 α값(α는 반데르 포 디스크의 반경에 대한 매립된 이종부분의 반경의 비)에 대한 자기장의 함수로서 도 1a의 합성 반데르 포 디스크의 실온 저항을 나타낸 그래프이며,
도 1c는 각기 다른 α값에 대한 자기장의 함수로서 도 1a의 합성 반데르 포디스크의 실온 자기저항을 나타낸 그래프이며,
도 2는 각기 다른 α값에 대한 자기장의 함수로서 도 1a의 합성 반데르 포 디스크의 실온에서의 높은 자기저항을 나타낸 그래프이며,
도 3은 각기 다른 자기장(H)의 값에 대한 α의 함수로서 도 1a의 합성 반데르 포 디스크의 실온에서의 높은 자기저항을 나타낸 그래프이며,
도 4의 (a) 내지 도 4의 (e)는 반데르 포 디스크에서 직사각형 플레이트로의 쌍선형 등각 매핑(bilinear conformal mapping)을 나타낸 도면이며,
도 5는 EMR 센서의 직사각형 플레이트 구성을 나타낸 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 의해 제조된 두 그룹의 센서들에 대하여 해당 센서의 매핑된 오프센터드(off-centered) 반데르 포 디스크의 이론적인 해와 측정된 EMR값을 나타낸 그래프이다.
본 발명에 의하면, 비자성 InSb과 높은 이동도와 좁은 밴드갭을 갖는 반도체 및 금속의 합성물은 다른 물질에서 얻어지는 것보다 큰 실온에서의 MR을 나타낸다. InSb가 패터닝되지 않은 상태에서는 적당한 MR을 나타내지만, 매립된 금속의 이종부분(inhomogeneities)이 0.05, 0.25, 4.0T에서 각각 100%, 9,000%, 750,000%의 실온에서의 MR을 초래한다. 이러한 이상 자기저항(Extraordinary magneto-resistance; EMR)이 나타나는 것은H=0에서 도전성 이종부분은 단락회로로 작용하지만, 높은 자기장에서는 상기 도전성 이종부분이 반직관적으로 오픈 회로로 작용하기 때문이다(Soline 등의Science, vol.289, 1530 (2000) 및 Thio 등의 “Giant Magnetoresistance Enhancement in Inhomogeneous Semiconductors,”Applied Physics Letters, Vol. 72, pp.3497-3499,(1998) 참조).
적층된 금속 또는 망가나이트 페로브스카이트에서 발견되는 음성 MR과는 대조적으로 비자성 반도체상의 MR은 양성이며(T. Thio 등의, “Giant magnetoresistance in zero-bandgap Hg1-xCdxTe,”Physical Review B, vol.57, no.19, pp.12239-12244 (1998) 참조), 물리적, 기하학적인 기여를 한다. (H.H. Wieder,Hall Generators and Nagnetoresistors, Pion Ltd., London (1971) 및R.S. Popovic,Hall effect devices, Adam Hilger, Bristol (1991) 참조). 물리적인 MR은 로렌쯔 힘에 기인한 전하 캐리어의 궤도 운동으로부터 발생한다. 물리적인 MR은 캐리어 이동도와 밀도(그리고 자기장 의존도)와 같은 물질 변수에 의해 결정된다. 기하학적인 MR은 샘플의 형태와 전기적 콘택의 위치에 의존하며, 낮은 자기장에서 이동도와 자기장에 따라 2차적으로 증가한다. 따라서, 예컨대, W. Zawadzki의 “Electron transport phenomena in small-gap semiconductors,” (Adv. Phys., vol.23, pp.435-522, 1974)에 기술된 InSb 및 Hg1-xCdxTe(x는 약 0.1)와 같은 높은 이동도와 좁은 갭을 갖는 반도체는 기하학적 효과를 위한 매력적인 실험장이다. 또한, C. Herring의 “Effect of random inhomogeneities on electrical and galvanomagnetic measurements," (Journal of Applied Physics, vol.31, pp.1939-1953, 1960)와 A.Y. shik의 "Electronic Properties of Inhomogeneous Semiconductors" (Gordon and Breach, Amsterdam, 1995)에 기술된 바와 같이 이종부분이 물질의 MR을 증가시킬 수 있다고 알려져 있으나, 메카니즘 및/또는 결합구조가 본 발명의 이종부분과는 다르며, 본 발명을 실행했을 때 얻어지는 값보다 낮은 크기의 상온 MR값이 산출된다.
본 발명에 의하면, 상온에서의 반도체의 자기저항은 반도체에 매립되는 이종부분을 갖춘 반데르 포(van der Pauw) 디스크 구조에서 크게 증가할 수 있다. 막대 구조 또는 박막과 같이 디스크와 다른 형태를 갖는 반도체내에 이종부분을 삽입할 경우에도 자기저항이 증가할 수 있다. 삽입된 이종부분은 디스크내에 동심원상으로 위치할 필요가 없으며 중심에서 벗어날 수 있다. 또한, 반데르 포 플레이트와 삽입된 이종부분 중의 어느 하나 또는 양쪽 모두는 디스크 형태를 가지지 않을 수 있다. 반데르 포 플레이트는 밀폐된 표면을 가지며, 이종부분은 임의의 형태를 가질 수 있다.
반데르 포 디스크의 반지름에 대한 매립된 원형의 이종부분의 반지름의 비율을 조정하면 이 비율의 함수로 디스크의 자기저항이 변화한다. 상기 비율을 최적화하면 실온에서 이상 자기저항(EMR)을 나타내는 디스크 센서가 얻어진다. 마찬가지로, 이종부분이 원형이 아니고 플레이트가 디스크 형태가 아닌 경우에는 반데르 포 플레이트의 면적에 대한 매립된 이종부분의 면적의 비를 최적화하면 실온에서 이상 자기저항을 나타내는 센서가 얻어진다.
본 발명의 설계는 매우 높은 열적 안정성을 나타낸다. 또한, 본 발명의 설계는 종래의 센서보다 훨씬 낮은 단위 비용으로 제조될 수 있는 잠재력과 자성 물질로 제조된 센서보다 1,000배까지 높은 속도로 동작하는 능력을 제공한다.
본 발명의 설계를 사용하여 얻을 수 있는 높은 동작 속도는 제곱인치당 테라비트(Terabit) 또는 1,000기가비트의 데이터를 저장할 수 있는 마그네틱 디스크 드라이브의 구축을 가능하게 한다.
본 발명의 다른 양상은 반데르 포 디스크에 원형의 개구들을 형성하는 것과 중간 크기로 원형의 이종부분을 형성하는 것은 다른 작업이라는 것을 고려한다. 따라서, 특별한 자기저항 센서를 만들기 위하여 원형의 내부 이종부분을 갖춘 반데르 포 디스크의 원형 플레이트를 전기적으로 동등한 직사각형의 외부 이종부분 또는 분류기(shunt)를 구비한 직사각형 플레이트에 매핑시킴으로써 단순한 직사각형 또는 다각형의 부품의 제조를 가능하게 하는 기술에 대하여 설명할 것이다. 상기 매핑기술은 일반적인 센서 디자인을 다각형 센서 디자인으로 변환하는데 적용할 수 있다.
본 발명의 목적은 자기저항 센서의 자기저항을 최적화하도록 선택된 크기를 갖는 도전성 이종부분을 갖는 반도체 물질을 포함하는 자기저항 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 물질과 EMR센서의 매립된 도전성 이종부분의 형태를 상기 EMR센서의 제조를 용이하게 하는 크기를 가진 다각형, 바람직하게는 외부 도전성 이종부분 또는 분류기(shunt)를 갖춘 직사각형으로 매핑하는 기술을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 설명에서 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a에 반데르 포(van der Pauw) 센서를 나타내었다. 도시된 센서는 반도체기판(10)을 포함한다. 상기 반도체기판(10)은 GaAs인 것이 바람직하다. 반도체 물질로 된 디스크(12)가 상기 기판 상에 위치하고 있다. 상기 디스크(12)는 등간격을 이루는 4개의 탭들(14,16,18,20)을 가지며, 이러한 4개의 탭들은 디스크(12)의 원주로부터 방사상으로 뻗어 있다. 각각의 탭은 그 상부에 전기적으로 도전성인 콘택패드를 구비하고 있다. 탭(14)과 탭(16)은 전류 전극들이고, 탭(18)과 탭(20)은 전압 전극들이다.
상기 반도체 물질은 매우 높은(10,000 cm2/Vsec 이상의) 캐리어 이동도를 가져야 하고, 저항률이 실온에서 온도에 따라 서서히 변하는 것이어야 한다. 좁은 밴드갭을 갖는 반도체는 실온에서도 104cm2/Vs 이상의 이동도를 나타내며, 이동도가 도핑에 의해 크게 감소하지 않으므로 작은 dR/dT 를 얻는데 필요하다. 이러한 높은 이동도를 갖는 반도체로는 인듐 안티몬(indium antimonide), 인듐 아세나이드(indium arsenide), 수은 카드뮴 텔루르 화합물(mercury cadmium telluride), 수은 아연 텔루르 화합물(mercury zinc telluride) 및 납 주석 텔루르 화합물(lead tin telluride)이 있다.
도전성 물질로 이루어진 원통(22)이 디스크(12)내의 중심에 디스크와 동심원을 이루며 위치하여 디스크(12)내에 도정성 이종부분(inhomogeneity)을 형성한다.
상기 이종부분의 도전율은 모든 관련된 자기장에서 반도체의 도전율보다 훨씬 높아야 하며, 이종부분은 반도체와 양호한 오믹 콘택을 이루어야 한다. 은 또는 금과 같은 귀금속 및 이 귀금속과 구리, 니켈 및 크롬과 같은 다른 금속과의 합금 및 이들과 다른 금속들과의 합금을 상기 매립된 이종부분을 이루는 물질로 사용할 수 있다. 당 분야에서 알려진 바와 같이 다양한 금속들의 얇은 층을 적층하면 양호한 오믹콘택을 얻을 수 있다. EMR의 크기는 이종부분의 두께에 의존한다. 이종부분의 두께는 300 Å에서 반도체 두께의 1.2배 사이의 범위에 있으므로, 반도체와 금속 이종부분의 기하학적 형태와 물질 특성을 조절함으로써 최종적인 EMR의 크기를 조절할 수 있다.
도 1a에 나타낸 형태의 장치는 MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)에 의해 성장된 Te가 도핑된 n형 InSb 에피층으로 제조되었다. 200 nm의 도핑되지 않은 InSb로 된 버퍼층을 4인치 반절연 GaAs기판(저항률이 1×1017Ω-cm보다 큼)상에 성장시켰다. InSb(n=2.6×1016cm-3, μ= 45,500 cm2/Vs, n은 캐리어 농도, μ는 이동도)로 이루어진 1.3 ㎛의 활성층을 상기 버퍼층상에 증착하고, 그위에 50 nm의 InSb 콘택층(n∼1.5×1017cm-3)을 형성하였다. 이어서, 그 결과물상에 200 nm의 Si3N4층을 패시베이션으로 형성하였다. GaAs/InSb 경계에서의 격자 부정합(lattice mismatch)로 인해 InSb막의 두께가 1 ㎛이하가 되면(150 nm에서 1,000 cm2/Vs에 도달한다) InSb막의 평면내의(in-plane) 300K(실온)에서의 이동도는 빠르게 감소한다. 따라서 InSb 버퍼층은 병렬 도전채널을 나타내지 않는다. 상기 고농도로 도핑된 얇은 캡층(콘택층)은 낮은 이동도를 가지며 InSb/Si3N4경계에서의 밴드의 구부러짐에 의해 부분적으로 공핍된다. 따라서 이 층은 병렬 도전에 기여하지 못한다. 웨이퍼를 포토리소그래피에 의해 도 1a에 도시된 바와 같은 메사를 가진 칩들로 패터닝하였다. 원형 메사(12)(지름=1 mm)는 반응성 이온식각에 의해 마련되는 4개의 콘택패드들(14,16,18,20)과 평탄한 측벽(아래에서 위로 갈수록 바깥쪽으로 가늘어지는 약 19°의 평균 벽각도를 가진)을 가진 동심구멍을 구비하고 있다. 이어서, 상기 구멍과 메사 콘택패드에 주요 성분으로서 Au를 포함하는 Ti / Pt /Au 적층금속을 동시에 입혔다. 최종적인 콘택은 와이어 본딩에 의해 수행하였다.
이상 자기저항(Extraordinary magnetoresistance;EMR)은 도 1a에 도시한 수정된 반데르포 구조를 가지고 측정하였다. 이러한 구조에 있어서, 반경이 ra이고 도전률이 σ0>> σ인(σ0와 σ는 각각 도전체(22)와 반도체(12)의 도전률이다.) 동심원형의 금속 도전성 이종부분이 동종의(homogeneous) 반도체(12)로 이루어진 반경 rb를 가진 반데르포 디스크내에 매립된다. 이러한 구조는 Wolfe 등의 Journal of Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, vol.119, pp.250-255 (1972)에서 이종 반도체에서 나타나는 기하학적으로 유발되는 이동도와 홀계수(Hall coefficient)의 변형을 이론적으로 설명하기 위해 처음으로 채용되었다. Wolfe 등에 의하면, 두 개의 변수 α= ra/rb, s = σ0/σ가 정의된다. 일정한 전류i에 대하여 합성 디스크의 유효한 4-콘택 저항은 R(H,T,α,s) = V(H,Tα,s)/i가 된다. H가 상기 원형 이종부분의 평탄한 끝부분에 직교하는 평면내의 자기장일 경우, T는 온도이고, α와 s는 상기와 같이 정의된다. 실온에서 InSb 내의 Au 이종부분을 측정할 경우, T와 s변수는 제거할 수 있으며, EMR은 [ΔR(H,α)]/R0 α=[R(H,α)-R0 α]/R0 α로 정의된다.(여기서, R0 α=R(0,α)이다.) 표준적인 반데르포 구조는 α= 0 인 경우에 해당된다.
도 1b는 0 ≤ H ≤ 1 T 와 0에서 15/16까지 변화하는 α값에 대한 R(H,α)의 반로그(semi-log) 그래프이다. 그래프의 기호들은 16α=0-□, 6-■, 8-▽, 9-▼, 10-△, 11-▲, 12-○, 13-●, 14-◇, 15-◆에 해당된다. 예상되는 바와 같이, 이종부분의 컨덕턴스가 증가하여 α가 증가하면 지로-필드(zero-field) 저항은 단조롭게 떨어진다. 그러나, Au 이종부분의 도전율이 한정된 값을 가지기 때문에 R(0,α)는 큰 α, 즉, 대략적으로 13/16보다 큰 α에서 포화되기 시작한다. 이러한 포화는 실제로 일어나는 것이며 측정장치에 의해 가공된 것이 아니라는데 주의해야 한다. 포화가 일어나면, 저항은 임계 필드에 이를 때까지 필드와 무관해지며, 임계 필드를 넘으면 저항은 필드가 증가함에 따라 빠르게 증가한다. 따라서, 충분히 큰 α에 대해서 상기 장치는 마그네틱 "다이오드" 또는 스위치와 같은 동작을 하게 된다.
도 1b로부터 알 수 있는 바와 같이, 변형된 반데르포 디스크의 자기저항은 매우 커질 것이다. 이것은 도 1c와 도 2에서 정량적으로 확인된다. 도 1c와 도 2는 각각 1 T 와 5 T 까지의 자기장에 대한 합성 디스크의 EMR을 나타낸 것이다. EMR의 두드러진 특징은 2 T 이상의 자기장에 대해 자기저항이 포화되거나 α= 14/16 및 15/16에 대해 최대값을 나타낸다는 것이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, α= 13/16에 대하여 EMR은 2차 형식에서 유사선형 필드 의존적으로 변화한다. EMR은 또한 α가 α= 13/16이 될 때까지 단조롭게 증가하며, α= 13/16 이상에서는 가파르게 감소한다. 이러한 감소동작은 도 3에서 더욱 두드러지게 나타난다. 도 3은 일정한 자기장 그룹에 대한 EMR의 α에 대한 의존성을 나타낸 것이다. 그러나, 도 3의 그래프의 가장 현저한 특징은 자기저항의 크기이다. α= 12/16에 대하여 EMR은 0.05 T에서 113% 이고, α= 13/16에 대하여 0.25 T 에서 9,100% 이며, 4 T에서 750,000%이다(도 2 참조). 비교를 위하여 적층된 금속들은 실온과0.005 T에서 대략 22% 의 GMR 또는 실온과 0.0003 T에서 대략 42%의 거대한 자기터널링을 나타내는 반면에, 망가나이트 페로브스카이트는 77K 와 6 T에서 127,000%의 CMR을 나타내나, 실온과 1.75 T에서는 39%의 CMR을 나타낸다. 또한, 칼코제나이드 반도체는 300K 와 5.5 T에서 200%의 CMR을 나타낸다. (Egelhoff, Rao 등의, Jin과 등의, Xu 등의, supra 및 S.R.S Parkin 등의 Coming of age of magnetic multilayers:giant magnetoresistance field sensors and magnetic tunnel junction memory elements.Bull Am. Phys. Soc.44, 1555-1556, 1999 참조)
실온에서 상기와 같이 높은 EMR값을 얻는데 기초가 되는 원리를 다음에 설명한다. 도 1a에 나타낸 합성 반데르포 구조를 생각해보자.
반도체에 대한 자기도전율 텐서(tensor)σ(H)의 성분은 σxx(β)=σyy(β)=σ/[1+β2], σzz(β)=σ 및 σxy(β)=-σβ/[1+β2]=σyx(β)이다. 여기서, β=μH이고 다른 것들은 0이다. 이종부분의 수직표면상의 전기장이일 때, 전류밀도는가 된다. 전기장은 높은 도전성의 이종부분의 등전위면에 수직인 모든 곳에 존재한다.H = 0에서σ(H)는 대각선 성분이므로가 되고 전류는 이종부분으로 흘러 이종부분이 단락회로로 동작하게 된다. 높은 H(β>1)에서는σ(H)의 대각선 이외의 성분들이 우세하므로가 되고가 된다. 마찬가지로, 전기장과 전류밀도간의 홀각도(Hall angle)는90°가 되고, 전류는 이종부분에 대하여 탄젠트, 즉, 편향된다. 따라서, 이종부분은 오픈 회로로 동작하게 된다. 이종부분이 낮은 H에서 단락회로로 동작하다가 높은 H에서 오픈 회로로 변환되면 저항율(도전율)이 필드와 무관하더라도(즉, 물리적인 자기저항이 0) 반도체의 자기저항이 기하학적으로 증가하게 된다. R0 α가 감소하기 때문에 EMR은 α에 따라 증가한다. 그러나 α가 충분히 커져서 낮은 필드 전류가 대부분 이종부분을 통해 흐르면, 자기저항은 이종부분 자체의 자기저항이 될 것이다. 이것은 Au의 경우 무시해도 될 정도로 작다. 감지할 수 있을 정도의 자기저항은 금속 이종부분의 컨덕턴스가 두께 ra- rb의 환형 반도체의 컨덕턴스보다 작아지도록 H 가 이종부분으로부터의 전류를 편향시킬 수 있을 만큼 충분할 경우에만 관찰될 수 있다.
상술한 바와 같이 낮은 필드의 EMR은 α= 13/16인 모든 값들에 대해 2차적이며(도 1b, 도 1c 및 도 2참조), 따라서 [ΔR(H,α)]/R0 α={μapp α(H-H0)}2의 형태로 설명되어질 수 있다. 여기에서, μapp는 이동도이고, H0는 제로-필드 오프셋이다. 이러한 형태를 이용하여 데이터에 매치시켜 얻어지는 이동도는 반도체의 실제 이동도보다 크다. 예를 들면, α= 13/16에 대하여 μapp 13/16/μ=22.3이다. 높은 필드에서의 EMR의 선형 반응과 롤오프(roll off)는 Hg1-xCdxTe, x = 0.1내의 미세 이종부분으로부터 발생하는 훨씬 작은 자기저항을 설명하는데 이용된 보강된 Wolfe모델을이용하여 정량적으로 설명될 수 있다.
이하에 EMR센서와 현재 사용되고 있는 다른 자기 센서를 비교하여 설명한다. 통상적인 금속 다층(스핀밸브) 독출헤드(read-head)는 소자화(demagnetization) 및 다른 자기 효과들로 인해 100 Gb/in2의 현재의 매체들에 있어서 초상자성 (superparamagnetic) 한계에 해당하는 300 Å × 2,100 Å의 크기로 감소될 경우 충분한 감도를 제공하지 못한다. 따라서 0.05 T의 자기장에서 약 100%보다 큰 EMR을 갖는 합성 비자성 반도체는 제한받지 않는다. 더욱이, 이 합성 비자성 반도체의 반응시간은 플라스몬(plasmon) 주파수의 역에 의해 근사화되어 피코초 (picosecond) 이하의 범위내의 값을 나타낼 수 있다. 이것은 자기화 다이나믹에 의해 제한되는 적층구조의 금속 센서의 스위칭 시간인 10-9-10-10초에 비해 매우 빠른 것이다. 또한, 포화영역에 도핑을 하면 다층금속 센서에서 얻어지는 것보다 훨씬 낮은 0.09%K의 낮은 값으로 반도체 센서 저항의 열계수를 감소시킬 수 있다. 또한, S.A. Solin 등의 "A Self-Biasing Non-Magnetic GMR Sensor: Mercury Cadmium Telluride (Appl. Phys. Letts, vol.69, pp.4105-4107, 1996)에 기술된 바와 같은 0.2 T 자기바이어싱(self biasing)과H = 0에 가까운 선형 반응을 얻는데 필요한 외부 바이어스를 제공한다.
반도체 자기저항 센서는 현재 회전속도 및 위치감지를 위하여 자동차에 응용되고 있다. 이러한 센서는 (1/R)(dR/dH)를 바이어싱 필드 0.25 T에 대해 실온 최대값 2.5 T-1을 나타내는 값으로 사용하는 브릿지 회로에 자주 이용된다.α≤13/16인 본 발명의 EMR센서는 0.05 T에서 최대값 24 T-1에 도달하는데 이것은 훨씬 낮은 필드에서 얻어지는 것보다 10자리가 증가된 것이다. InSb EMR센서는 브러쉬리스(brushless)모터를 위해 연간 109개 이상의 양으로 현재 생산되고 있는 InSb 홀센서와 호환성을 가진다.
개선된 자기저항 장치의 예상되는 성능과 일반적으로 사용되고 있는 다른 자기센서를 비교해보자. 이러한 비교는 열적 잡음이 우세한 높은 주파수(>100 KHz)의 전력신호 대 잡음비(SNR)을 고려하면 용이하게 행할 수 있다. 개선된 기하학적 자기저항 센서와 동일한(동종의) 물질로 이루어지고 동등한 크기를 갖는 홀센서에 대해서 SNRMR/SNRHall은 μapp/μ에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 개선된 기하학적 MR장치는 홀센서보다 우수하다. 이제 2-프로브의 물리적 금속 GMR센서를 고려해보자. SNRMR이 (Δρ/ρ)2ρ와 비례하므로 2-프로브의 장점은 기하학적 MR센서의 높은 MR과 높은 ρ에 의해 부분적으로 부정된다. 또한, 스핀밸브 독출헤드와 같은 물리적인 MR 정보저장 센서는 소자화 및 다른 자기효과들로 인해 현재의 100 Gb/in2의 매체에 대하여 초상자성 한계에 해당되는 크기로 감소할 경우 충분한 감도를 제공하지 못한다. 따라서 Hrel= 0.05 T 의 관련 필드에서 100% 이상의 증진된 기하학적 MR을 갖는 합성 비자성 반도체는 제한받지 않으며, 중간 크기로 줄어들더라도 높은 MR을 나타낼 수 있다. 또한, 반응시간이 플라스몬 주파수의 역에의해 근사화되어 피코초 이하의 범위내의 값을 나타낼 수 있다. 이것은 자기화 다이나믹에 의해 제한되는 금속센서의 스위칭시간인 10-9- 10-10초보다 훨씬 큰 값이다. 또한, H=0에 가까운 높은 MR과 선형 반응을 얻는데 필요한 0.2 T정도의 자기바이어싱 또는 외부 바이어싱을 쉽게 제공한다. 결과적으로, 여전히 높은 기하학적 EMR값을 갖는 센서를 예상할 수 있을 것이다. 높은 이동도와 거의 수직인 이종부분 측벽을 갖는 InSb 박막은 큰 EMR을 갖는 반데르포 센서를 형성한다. 또한, 단순한 반데르포 구조는 최적의 구조가 되지 못한다.
상기에서는 반도체의 실온에서의 자기저항을 매립된 동심원형의 도전성 이종부분을 갖춘 반데르 포 디스크내에서 어떻게 크게 증가시킬 수 있는가에 대하여 설명하였다. 상기 장치에서의 자기저항 {R(B)-R(0)]/R(0)은 500가우스에서 100%보다 클 수 있다. 상기와 같은 반데르 포 디스크로부터 얻어지는 EMR은 GMR 또는 CMR을 나타내는 자기물질의 EMR보다 훨씬 크며, 따라서 이것은 많은 응용에 있어서 자기센서에 사용될 잠재력을 가진다. 그러나, 상술한 형태의 매립된 금속 이종부분을 갖는 구조(즉, 합성 반데르 포 디스크)를 형성할 경우, 이러한 구조를 고밀도 자기 기록장치(~1 Tb/in2, 독출헤드의 크기는 중간 크기(~300 Å))에 사용되는 독출헤드 센서 등에 응용하기 위해 그 크기를 작게 할 경우 제조작업이 어려워지게 된다. 반데르 포 디스크의 중심에 중간 크기의 내부 분류기(shunt)를 형성하는 것은 매우 어렵다. 이러한 어려움을 극복하고 EMR 센서를 매우 간단하게 제조하기 위하여 EMR센서를 외부 금속이종부분 또는 분류기를 갖춘 직사각형 형태의 반도체 플레이트 형태로 제조하는 방법을 이하에 설명한다. 이러한 단순화된 구조는 합성 반데르 포 디스크의 자기전송(magnetotransport) 특성과 유사한 자기전송 특성을 가지며, 따라서 EMR을 나타낸다.
직교축 r과is를 가지며 t=r+is인 두 개의 허수차원의 복소평면 t내의 단위 직경의 원형 경계를 가진 동종(homogeneous) 장치는 쌍선형 변환 z(t) = -i{[t+i]/[t-i]}를 이용하여 도 4의 (a)에 나타낸 바와 같이 직교축 x와iy를 가지며 z = x+iy인 상부 1/2의 카테시안 복소 z-평면으로 매핑할 수 있다. (R.S. Popovic, Hall efect devices, (Adam Hilger, Bristol, 1991) 참조) 상기 매핑 방정식은 도 4의 (a)에 나타낸 (자기저항 측정을 위한 구성에 있어서) t-평면에서의 디스크의 주변에 대칭적으로 소정 간격을 가지고 위치하는 4개의 전기적 콘택들을 z-평면의 라인 y = 0상의 콘택들로 변환시킨다. 상기 매핑된 콘택들은 축 x = 0 에 대하여 대칭을 이루지만, 이 콘택들은 t-평면에서 보았을 때와 같이 크기가 같은 것은 아니다. 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 도 4 (a)의 동종 디스크에 반경이 r1인 중심을 벗어난 구멍이 매립될 경우, 이 구멍은 도시된 바와 같이 높이 y1=1/(r1+1)에서 상부 1/2 평면을 자르는 라인으로 매핑된다. 즉, t-평면의 디스크내의 반경r1인 구멍내의 진공은 z-평면의 라인y1이상의 진공으로 매핑된다. 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이 t-평면의 디스크 내에 안이 빈 노치(notch)를 생성하는 반경 r2인 원을 생각해보자. 이 원은 도 4의 (c)에 나타낸 바와 같이 x = x2= 1/r2인 위치에서 z-평면을 자르는 라인으로 매핑된다. 도 4의 (d)에 나타낸 바와 같이t-평면의 디스크의 수직 이등분선의 왼쪽에 위치하는 동일한 반경을 가지고 대칭적으로 위치하는 원은 -x2= -(1/r2)의 위치에서 라인을 가진 z-평면을 자른다. t-평면에서 적절하게 원형으로 절단하면 그 절단된 디스크를 z-평면에서 소정의 치수를 갖는 직사각형 구조로 매핑할 수 있다.
도 4의 (a) 내지 도 4의 (e)에 나타낸 구조들 중에서 가장 단순한 구조는 완전하게 폐쇄된 이종부분, 즉, 디스크의 중심으로부터 벗어난 원형의 구멍을 가진 도 4 (b)의 구조이다. 이 구멍을 높은 도전성의 금속으로 매립하면, 오프센터드 (off-centered) 반데르 포 디스크라고 불리는 그 결과물은 상기한 바와 같이 큰 EMR을 나타내는 센터드(centered) 반데르 포 디스크와 유사한 것이 된다. 그러나 z-평면내의 해당 직사각형의 매핑된 구조는 +x 와 -x 에서 무한한 크기가 되며, +y 방향으로 무한한 높이를 갖는 외부 금속이종부분 또는 외부 분류기를 가지게 된다. 이것을 피하기 위해 도 4의 (e)에 나타낸 바와 같이 t-평면에서 반 경r1을 갖는 원내에 반경 r3를 갖는 부가적인 원을 가진 새로운 구조를 정의한다. 반경 r3인 원은 z-평면의 y = y3라인으로 매핑된다. 반경 r1인 원과 디스크 둘레 사이의 간격이 좁은 밴드갭 반도체를 포함하는 가운데, 반경이 r1, r2, r3인 원들 사이의 공간에 매립된 금속 이종부분을 포함하도록 상기 수정된 오프센터드 반데르 포 디스크를 만들면, 내부의 매립된 이종부분을 가진 t-평면의 디스크는 그에 상응하는 외부의 금속 분류기를 가진 z-평면의 직사각형으로 매핑된다. 또한, 도 4의 (e)에 나타낸정확한 매핑을 위해 두 구조의 전기적 동작은 같아질 것이다.
상술한 바와 같이 원형 좌표계를 직사각형 좌표계로 매핑하는 기술은 알려져 있으나, 이러한 기술을 외부 이종부분 또는 외부 분류기를 갖춘 직사각형 구조를 가진 EMR소자의 설계에 채택하는 것을 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 아직 고려되지 않고 있다. 더욱이, 상술한 쌍선형 매핑과정으로부터 얻어지는 직사각형 구조의 전기적인 동작은 이 직사각형 구조가 얻어지는 디스크 구조의 전기적 동작과 같을 것이다. 또한, x2> 4인 매핑된 직사각형 플레이트에 대하여 반경이 1인 디스크(도 4의 (a) 참조)를 가지고 시작하면, 도 4 (e)의 t-평면내의 반경r2(즉, r2< 1/4)인 원들에 의해 나타나는 절단부는 작다. 그러므로, 도 4 (e)의 z-평면에 나타낸 외부 분류기를 갖는 플레이트 구조는 r2에 의한 도 4의 (e)에 나타낸 r2절단부가 없는 반데르 포 디스크의 구조와 전기적으로 동등하다. 도 4의 (e)에 도시된 구조의 전기적 특성은 t-평면의 원형 좌표계보다 z-평면의 직각 좌표계에서 간단하게 계산된다. 원형 EMR구조를 직사각형 구조로 매핑함으로써 얻어지는 장점을 설명하기 위하여 도 4 (e)의 매핑된 직사각형 플레이트르 위한 해결방법을 다음에 설명한다.
도 5에 나타낸 센서는 균일한 두께 h(도 5의 평면에 대해 직각인 방향에서)를 갖는 것으로 가정된 매핑된 외부 분류기를 갖는 직사각형 센서(50)의 전자기 저항 계산시의 파라미터들을 정의한 것이다. 센서의 길이는 2a이고, 반도체(51)와금속 션트 플레이트(52)의 폭은 각각 b와 b1이다. 도 5에 나타낸 바와 같이 두 개의 전류전극(53,54)은 플레이트(52)와 접촉된 표면에 대향하여 반도체의 표면(57)상에 중심선으로부터 a1및 a4의 거리를 두고 위치한다. 이 전류전극들은 각각 Δa1및 Δa4의 폭을 가진다. 두 개의 전압전극(55,56)은 반도체(51)의 동일한 표면(57)상에 전류전극들(53,54) 사이의 지점에 폭이 0 인 델타함수 콘택으로서 위치하며, 각각 센서의 중심선으로부터 a2및 a3만큼 떨어져 있다. 전압전극들은 계산을 위해 폭이 0인 것으로 하였으나, 실제로 센서를 제조할 때는 리소그래피 한계 또는 센서 설계로부터 결정되는 유한한 폭을 가진다. β=μH, β0=μ0H(여기서, μ와 μ0는 각각 반도체와 금속의 이동도이고, H는 센서의 평면에 대해 직각인 방향(즉, 도면의 평면에 대해 직각인 방향)으로 인가된 자기장이다.)으로 정의한다. 금속의 도전율{σ0(σ0= 4.52 × 107/Ohm-m (Au인 경우))은 반도체의 도전율인 σ(InSb의 경우, σ= 1.36 × 104/Ohm-m)보다 훨씬 크다.
상기 장치에 일정한 전류가 흐르고 전하의 축적이 없다고 가정하면, 맥스웰 방정식은 라플라스 방정식∂2V/∂x2+∂2V/∂y2=0으로 환원된다. 상기 장치의 주변부에서 상기 두 개의 전류전극의 위치에서는 전류밀도가 균일하다고 가정하면, 그 밖의 영역에서는 전류밀도가 0 이 되며, 이것은 경계값 조건을 정의하는 것이다. 반도체와 금속의 경계에서의 경계조건에서 Etangential은 금속과 반도체의 경계를 따라 연속적이며 Jnormal은 금속과 반도체의 경계를 가로질러 연속적이다. 결국, MR에 대한 기하학적인 기여만을 고려하고 반도체의 진성 특성인 필드 의존성으로부터의 물리적인 기여는 무시한다. 즉, μ와 σ이 H 필드와 무관한 것으로 가정한다. 이것은 낮은 필드 영역에 대해서는 훌륭한 근사이다. 상기 문제는 조정가능한 파라미터들 없이 분석적으로 풀며, β의 함수(또는 자기장H의 함수)로서 센서의 하부표면(57)상의 전기 전위V와, 센서의 치수, 원점이 센서의 하부표면과 중심선의 교차점에 있는 z-평면상의 카테시안 좌표계의 x축으로 정의되는 하부표면(57)상의 위치를 계산한다. 그러면, σ0>>σ와 μ0< μ, 그리고 b1>> b 에 대하여 다음과 같은 결과가 얻어진다.
(1)
여기서, V0는 상수이고 {P}=a1, Δa1, a2, a3, a4, Δa4, a, b, b1는 다음과 같은 형태 파라미터 집합이다.
(2)
(3)
(4)
방정식(1)에서 주어진 인가된 자기장에 대한 전기 전위의 의존성을 이용하면, 지정된 파라미터들의 함수로서 직사각형 플레이트의 EMR을 계산할 수 있다. EMR({P},β)=[R({P},β)-Rmin({P},β)]/Rmin({P},β), R({P},β)=ΔV({P},β)/I는 필드와 기하학적 배치에 의존적인 유효저항이고,I는 인가된 일정한 전류, ΔV는 출력전압, Rmin({P},β)는 전압전극 등의 위치가 비대칭일 경우H = 0에서 오프셋될 수 있는 유효저항의 최소값이다. 대칭적인 전극 구조에 있어서, Rmin({P},β)= R({P},0)=R0가 된다. 일반적으로, 반데르포 디스크의 실제 면저항을 결정하는데는 명백한 전극쌍으로부터 두 번의 전압 측정이 필요하다는데 주목해야 한다. 그러나 센서의 동작 성능은 자기장에 따른 유효저항의 변화에 의해 특징지워지므로 유효저항의 측면에서 EMR을 정의한다. 도 4의 (a)에 나타낸 4개의 대칭적인 콘택들과 같은 특수한 경우에 있어서, 유효저항 및 실제저항들은 동일하므로 한번의 전압 측정만이 요구된다. b1>> b인 경우에는 매핑된 플레이트에 대한 충전인자(filling factor)는 다음과 같이 나타날 수 있다.
(5)
상기의 계산을 테스트하고 외부 분류기를 갖는 직사각형 구조가 큰 EMR을 나타낼 수 있다는 것을 증명하기 위하여 도 6에 나타낸 형태를 가지는 일련의 장치들을 제조하였다. 이 장치들 제조하기 위하여 4인치 반절연 GaAs 웨이퍼상에 Te가도핑된 n형 InSb(전자농도 n=2.11×1022m-3, 이동도 μ= 4.02 m2/Vs)를 MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)에 의해 성장시킨 에피층으로 된 1.3 ㎛의 활성층을 형성하고 이위에 패시베이션막으로 200 nm의 Si3N4층을 형성하여 제조하였다. 이어서 상기 웨이퍼를 포토리소그래피공정을 통해 횡방향 치수가 1 mm인 직사각형 메사를 가진 칩들로 패터닝한다. 이어서 Au가 주성분인 Ti / Pt / Au의 적층금속을 상기 메사 콘택패드 및 외부 션트에 동시에 입힌다. 상기 장치의 전극들과의 전기적 콘택은 와이어 본딩에 의해 형성한다.
상기 방정식(1) 내지 (4)에 기술한 계산의 결과를 서로 떨어져 위치하는 전극들(a1= a4, a2≠ a3)의 비대칭적인 전극구조와 등간격으로 배치된 전극들(a1= a4, a2≠ a3)의 대칭적인 전극구조에 대하여 각기 다른 플레이트의 형태에 대한 실선으로서 도 6a와 도 6b에 각각 나타내었다. 도 6a는 방정식(1)-(4)를 이용하여 얻은 매핑된 오프센터드 반데르 포 플레이트의 EMR에 대한 이론적인 해(실선)와 도5에 나타낸 다음의 파라미터들을 갖는 두 개의 구조들의 집합들에 있어서의 해당 구조의 실험적인 EMR을 비교하여 나타낸 것이다. 도 6a는 대칭 전압전극들에 대한 것으로, a1= 0.75 mm, Δa1= 0.01 mm, a2= 0 mm, a3= 0.35 mm, a4= 0.75 mm, Δa4= 0.01 mm, a= 1.07 mm, b1= 0.9 mm이고, 도 6b는 대칭적인 전압전극들에 대한 것으로, a1= 0.75 mm, Δa1= 0.01 mm, a2= 0.35 mm, a3= 0.35 mm, a4= 0.75 mm,Δa4= 0.01 mm, a=1.07 mm, b1= 0.9 mm이다. 도 6a 및 도 6b에 있어서, 충전인자는 방정식(5)로부터 계산하였다. ○는 b= 0.1 mm, α= 12/16인 경우를 나타내고, ▽는 b= 0.3 mm, α= 8/16인 경우를 나타낸다.
상기 계산에서 조정가능한 파라미터들이 없으며, 물리적인 자기저항의 효과가 계산에는 포함되지 않아도 측정시에는 존재한다는 사실로 볼 때 이론과 실험 사이의 일치는 타당하다. 외부 분류기를 갖는 직사각형 플레이트를 이용하여 실온에서의 EMR을 얻을 수 있다. b/2a = 1/21이고 비대칭적인 전압콘택을 가진 플레이트에 대하여 0.005 T에서 얻어진 550% 의 EMR은 이전에 연구된 대칭적인 콘택을 갖는 센터드 반데르 포 디스크에 대한 최대값보다 5배 높은 것이다.
도 6a 및 6b에 나타낸 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이 매핑된 직사각형 플레이트의 EMR은 전류 및 전압전극의 크기와 형태 및 위치에 의존한다. 이것은 다양한 경계조건을 가진 라플라스 방정식의 해와도 일치하는 것이다. EMR은 또한 충전인자α(방정식(5)참조)를 결정하는 반도체 플레이트의 길이 대 폭의 비에 의존한다. 특정한 구성에 대하여 EMR은 0.05 T에서 2,000% 이상으로 증가될 수 있다.
다양한 경계조건을 갖는 라플라스 방정식의 해를 분석함으로써 외부 분류기를 가진 매핑된 직사각형 플레이트의 EMR이 전류 및 전압콘택의 크기와 형태 및 위치에 의존한다는 것을 알아내었다. 예를 들면, 상기 계산은 Au분류기를 가진 InSb 플레이트의 측정값과 잘 일치한다. 0.05 T에서 550% 만큼 높은 실온에서의 EMR이 얻어진다. EMR은 또한 센터드 반데르 포 디스크의 충전인자 α= ra/rb(ra와 rb는 디스크와 매립된 션트의 반경)에 해당하는 반도체 플레이트의 길이 대 폭의 비에 의존한다. 특정한 구성에 대하여 EMR은 500가우스에서 2,000% 이상으로 증가될 수 있다.
상기에서 원형의 단면을 가진 반데르 포 디스크 센서에 대해 설명하였으나, 본 발명은 원형의 단면이외에도 다양한 형태의 플레이트에 동등하게 적용할 수 있다. 상기 플레이트는 폐쇄된 윤곽선을 갖는 것일 수도 있다. 마찬가지로, 이종부분도 반드시 원통형일 필요는 없으며, 어떠한 임의의 형태도 가질 수 있다. 비원형 단면을 갖는 플레이트 및/또는 비원통형 이종부분의 경우, 실온에서 EMR을 얻기 위한 매립된 이종부분의 치수는 플레이트의 면적에 대한 이종부분의 면적의 비를 고려하여 결정할 수 있다.
본 발명은 반데르 포 구조로 설계되어 실온에서도 이상 자기저항을 감지할 수 있는 센서에 관한 것으로, 본 발명의 설계는 열적 안정성과 종래의 센서보다 훨씬 저렴한 비용으로 제조될 수 있으며, 자성 물질로 제조된 센서보다 1,000배까지 높은 속도로 동작할 수 있다는 효과를 제공한다.
이렇듯 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (49)

  1. 내부에 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르 포 센서에 있어서,
    반도체 기판과;
    상기 기판상에 위치하는 면적 Aa를 가진 폐쇄된 윤곽선 형태의 반도체물질; 및
    상기 반도체물질 내에 적어도 부분적으로 위치하여 도전성 이종부분을 형성하는 면적 Ab를 가진 도전성 물질을 포함하여 이루어지며;
    상기 면적 Ab에 대한 면적 Aa의 비가 대략 실온에서의 상기 센서의 자기저항을 최대화하도록 선택되는 내부에 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르 포 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반도체기판은 GaAs인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 반도체물질은 약 10,000 cm2/Vsec 이상의 캐리어 이동도를 가지며, 저항율이 대략 실온에서 온도에 따라 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 반도체물질은 좁은 밴드갭을 가진 반도체인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 좁은 밴드갭을 가진 반도체는 인듐 안티몬, 인듐 아세나이드, 수은 카드뮴 텔루르화합물, 수은 아연 텔루르화합물, 납 주석 텔루르화합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반도체물질은 10,000 cm2/Vsec 이상의 캐리어 이동도를 가지며, 저항율이 대략 실온에서 온도에 따라 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 반도체물질은 좁은 밴드갭을 가진 반도체인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 좁은 밴드갭을 가진 반도체는 인듐 안티몬, 인듐 아세나이드, 수은 카드뮴 텔루르화합물, 수은 아연 텔루르화합물, 납 주석 텔루르화합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 도전성 물질의 도전율은 상기 반도체물질의 도전율보다 상당히 높은 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 도전성물질은 은, 금, 구리, 니켈, 크롬 및 이들과 다른 금속들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 도전성물질은 은, 금, 구리, 니켈, 크롬 및 이들과 다른 금속들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 도전성물질의 두께가 약 300 Å에서 상기 반도체물질의 두께의 1.2배 사이인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 반도체물질과 도전성물질간의 양호한 오믹콘택을 위하여 상기 반도체물질과 도전성물질 사이에 얇은 금속막들의 적층구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 얇은 금속막들의 적층구조는 Au를 주성분으로 하는 Ti / Pt / Au를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 기판은 GaAs이고, 상기 반도체물질은 인듐 아세나이드이며, 상기 도전성물질은 금인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  16. 내부에 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르 포 센서에 있어서,
    반도체 기판과;
    상기 기판상에 위치하는 반경 rb를 갖는 반도체물질로 이루어진 디스크; 및
    상기 디스크내의 중앙에 디스크와 동심원을 이루며 적어도 부분적으로 위치하여 도전성 이종부분을 형성하는 반경 ra를 가진 원통형 도전성 물질을 포함하여 이루어지며;
    상기 반경 rb에 대한 반경 ra의 비인 α가 대략 실온에서의 상기 센서의 자기저항을 최대화하도록 선택되는 내부에 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르 포 센서.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 반도체기판은 GaAs인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 반도체물질은 10,000 cm2/Vsec 이상의 캐리어 이동도를 가지며, 저항율이 대략 실온에서 온도에 따라 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 반도체물질은 좁은 밴드갭을 가진 반도체인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 좁은 밴드갭을 가진 반도체는 인듐 안티몬, 인듐 아세나이드, 수은 카드뮴 텔루르화합물, 수은 아연 텔루르화합물, 납 주석 텔루르화합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  21. 제 16항에 있어서, 상기 반도체물질은 10,000 cm2/Vsec 이상의 캐리어 이동도를 가지며, 저항율이 대략 실온에서 온도에 따라 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  22. 제 16항에 있어서, 상기 반도체물질은 좁은 밴드갭을 가진 반도체인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 좁은 밴드갭을 가진 반도체는 인듐 안티몬, 인듐 아세나이드, 수은 카드뮴 텔루르화합물, 수은 아연 텔루르화합물, 납 주석 텔루르화합물로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  24. 제 16항에 있어서, 상기 도전성 물질의 도전율은 상기 반도체물질의 도전율보다 상당히 높은 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 도전성물질은 은, 금, 구리, 니켈, 크롬 및 이들과 다른 금속들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  26. 제 16항에 있어서, 상기 도전성물질은 은, 금, 구리, 니켈, 크롬 및 이들과 다른 금속들의 합금으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  27. 제 16항에 있어서, 상기 도전성물질의 두께가 약 300Å에서 상기 반도체물질의 두께의 1.2배 사이인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  28. 제 16항에 있어서, 상기 반도체물질과 도전성물질간의 양호한 오믹콘택을 위하여 상기 반도체물질과 도전성물질 사이에 얇은 금속막들의 적층구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 얇은 금속막들의 적층구조는 Au를 주성분으로 하는 Ti / Pt / Au를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  30. 제 16항에 있어서, 상기 α가 10/16에서 14/16 사이의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  31. 제 30항에 있어서, 상기α가 13/16인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  32. 제 16항에 있어서, 상기 기판은 GaAs이고, 상기 반도체물질은 인듐 아세나이드이며, 상기 도전성물질은 금인 것을 특징으로 하는 자기저항 반데르 포 센서.
  33. 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르 포 센서의 전기적 특성과 동일한 전기적 특성을 갖는 높은 전도율의 외부 분류기(shunt)를 구비한 자기저항 센서에 있어서,
    반도체물질로 이루어진 플레이트; 및
    상기 반도체 플레이트와 밀접한 콘택을 이루는 도전성물질로 이루어진 플레이트를 포함하여 이루어지며,
    상기 반데르포 센서가 직교축 r과is를 갖는 복소수 t-평면(여기서, t=r+is)으로 표현될 때, 쌍선형 변환 z(t)=-i{[t+i]/[t-i]}를 적용함으로써 상기 반데르 포 센서의 형태로부터 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이트의 형태를 결정하고, 그 결정된 결과의 다각형이 직교축 x와iy를 갖는 복소수 상부 1/2 카테시안z-평면(여기서, z= x+iy)으로 표현되는 자기저항 센서.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 반도체물질로 이루어진 플레이트는 길이 2a와 폭b를 가지며, 그 일표면으로부터 연장된 한 쌍의 전류전극들을 포함하는 바, 한 쌍의 전류전극 중에서 하나의 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a1만큼 떨어져서 위치하고 다른 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a4만큼 떨어져 위치하며, 이 전류전극들은 각각 Δa1과 Δa4의 폭을 가지며, 상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장되며 상기 전류전극들 사이에 위치하는 한 쌍의 전압전극들을 더 포함하는 바, 이 한 쌍의 전압전극들 중에서 하나의 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a2만큼 떨어져서 위치하고 다른 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a3만큼 떨어져 위치하며, 이 전압전극들의 폭은 계산상 0으로 취급되지만, 각각 Δa2와 Δa3의 폭을 가지며;
    상기 도전성물질로 이루어진 플레이트는 길이 2a와 폭b1을 가지며, 상기 반도체 플레이트의 일표면을 마주보는 표면과 밀접한 콘택을 이루며, 상기 도전성 물질의 도전율 σ0는 상기 반도체물질의 도전율σ보다 훨씬 크고,
    μ와 μ0가 각각 상기 반도체물질과 도전성물질의 이동도이고, H가 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이드의 폭과 길이의 평면에 직각인 방향으로 인가된 자기장이며, J가 전류밀도, E는 전기장, β=μH, β0=μ0H이고, Etangential및 Jnormal이 반도체와 도전성물질의 경계에서 연속적이면, σ0>> σ, μ0>> μ, b1>>b 일 경우,
    이 되는 바, 여기서, V0는 상수이고 {P}= a1, Δa1, a2, a3, a4, Δa4, a, b, b1는 다음과 같은 형태 파라미터 집합이 되며,
    상기 다각형 센서의 EMR(extraordinary magnetoresistance)는
    EMR({P},β)=[R({P},β)-Rmin({P},β)]/Rmin({P},β)이며, 여기서 R({P},β)=ΔV({P},β)/I는 필드와 형태에 의존적인 유효저항이고,I는 인가된 일정한 전류, ΔV는 출력전압, Rmin({P},β)는 전압전극들의 위치가 비대칭일 경우H = 0에서 오프셋될 수 있는 유효저항의 최소값이며, 상기 다각형 자기저항 센서에 대한 충전인자α는
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 전압전극들은 대칭을 이루며 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  36. 제 34항에 있어서, 상기 전압전극들은 비대칭적으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  37. 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르포 센서의 전기적 특성과 동일한 전기적 특성을 갖는 자기저항 센서에 있어서,
    길이 2a와 폭 b를 갖는 반도체물질로 이루어진 플레이트와;
    길이 2a와 폭 b를 갖는 도전성물질로 이루어진 플레이트를 포함하여 이루어지며,
    상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장된 한 쌍의 전류전극들을 포함하는 바, 한 쌍의 전류전극 중에서 하나의 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a1만큼 떨어져서 위치하고 다른 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a4만큼 떨어져 위치하며, 이 전류전극들은 각각 Δa1과 Δa4의 폭을 가지며, 상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장되며 상기 전류전극들 사이에 위치하는 된 한 쌍의 전압전극들을 더 포함하는 바, 이 한 쌍의 전압전극들 중에서 하나의 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a2만큼 떨어져서 위치하고 다른 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a3만큼 떨어져 위치하며, 이 전압전극들의 폭은 계산상 0으로 취급되지만, 각각 Δa2와 Δa3의 폭을 가지며;
    상기 도전성물질로 이루어진 플레이트는 상기 반도체 플레이트의 일표면을 마주보는 표면과 밀접한 콘택을 이루며, 상기 도전성 물질의 도전율 σ0는 상기 반도체물질의 도전율 σ보다 훨씬 크고,
    μ와 μ0가 각각 상기 반도체물질과 도전성물질의 이동도이고, H가 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이드의 폭과 길이의 평면에 직각인 방향으로 인가된 자기장이며, J가 전류밀도, E가 전압, β=μH, β0=μ0H이고, Etangential및 Jnormal이 반도체와 도전성물질의 경계에서 연속적이면, σ0>> σ, μ0>> μ, b1>>b일 경우,
    이 되는 바, 여기서, V0는 상수이고 {P}= a1, Δa1, a2, a3, a4, Δa4, a, b, b1는 다음과 같은 형태 파라미터 집합이 되며,
    상기 다각형 센서의 EMR은
    EMR({P},β)=[R({P},β)-Rmin({P},β)]/Rmin({P},β)이며, 여기서 R({P},β)=ΔV({P},β)/I는 필드와 형태에 의존적인 유효저항이고,I는 인가된 일정한 전류, ΔV는 출력전압, Rmin({P},β)는 전압전극들의 위치가 비대칭일 경우 H=0에서 오프셋될 수 있는 유효저항의 최소값이며, 상기 다각형 자기저항 센서에 대한 충전인자 α는
    로 표현되는 자기저항 센서.
  38. 제 37항에 있어서, 상기 전압전극들은 대칭을 이루며 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  39. 제 37항에 있어서, 상기 전압전극들은 비대칭적으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  40. 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르 포 디스크 센서의 전기적 특성과동일한 전기적 특성을 갖는 높은 전도율의 외부 분류기(shunt)를 구비한 다각형의 자기저항 센서에 있어서,
    반도체물질로 이루어진 플레이트; 및
    상기 반도체 플레이트와 밀접한 콘택을 이루는 도전성물질로 이루어진 플레이트를 포함하여 이루어지며,
    상기 반데르포 센서가 직교축 r과is를 갖는 복소수 t-평면(여기서, t=r+is)으로 표현될 때, 쌍선형 변환 z(t)=-i{[t+i]/[t-i]}를 적용함으로써 상기 반데르 포 센서의 형태로부터 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이트의 형태를 결정하고, 그 결정된 결과의 다각형이 직교축 x와iy를 갖는 복소수 상부 1/2 카테시안 z-평면(여기서, z = x +iy)으로 표현되는 다각형의 자기저항 센서.
  41. 제 40항에 있어서,
    상기 반도체물질로 이루어진 플레이트는 길이 2a와 폭b를 가지며, 그 일표면으로부터 연장된 한 쌍의 전류전극들을 포함하는 바, 한 쌍의 전류전극 중에서 하나의 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a1만큼 떨어져서 위치하고 다른 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a4만큼 떨어져 위치하며, 이 전류전극들은 각각 Δa1과 Δa4의 폭을 가지며, 상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장되며 상기 전류전극들 사이에 위치하는 된 한 쌍의 전압전극들을 더 포함하는 바, 이 한 쌍의 전압전극들 중에서 하나의 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a2만큼 떨어져서 위치하고 다른 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a3만큼 떨어져 위치하며, 이 전압전극들의 폭은 계산상 0으로 취급되지만, 각각 Δa2와 Δa3의 폭을 가지며;
    상기 도전성물질로 이루어진 플레이트는 길이 2a와 폭b1을 가지며, 상기 반도체 플레이트의 일표면을 마주보는 표면과 밀접한 콘택을 이루며, 상기 도전성 물질의 도전율 σ0는 상기 반도체물질의 도전율 σ보다 훨씬 크고,
    μ와 μ0가 각각 상기 반도체물질과 도전성물질의 이동도이고, H가 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이드의 폭과 길이의 평면에 직각인 방향으로 인가된 자기장이며, J가 전류밀도, E는 전기장, β=μH, β0=μ0H이고, Etangential및 Jnormal이 반도체와 도전성물질의 경계에서 연속적이면, σ0>> σ, μ0>> μ, b1>>b 일 경우,
    이 되는 바, 여기서, V0는 상수이고 {P}= α1, Δα1, α1,α2, α3, α4, Δα4, α, b1는 다음과 같은 형태 파라미터 집합이 되며,
    상기 다각형 센서의 EMR은
    EMR({P},β)=[R({P},β)-Rmin({P},β)]/Rmin({P},β)이며, 여기서 R({P},β)=ΔV({P},β)/I는 필드와 형태에 의존적인 유효저항이고,I는 인가된 일정한 전류, ΔV는 출력전압, Rmin({P},β)는 전압전극들의 위치가 비대칭일 경우H = 0에서 오프셋될 수 있는 유효저항의 최소값이며, 상기 다각형 자기저항 센서에 대한 충전인자 α는
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 다각형의 자기저항 센서.
  42. 제 41항에 있어서, 상기 전압전극들은 대칭을 이루며 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다각형의 자기저항 센서.
  43. 제 41항에 있어서, 상기 전압전극들은 비대칭적으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다각형의 자기저항 센서.
  44. 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르포 디스크 센서의 전기적 특성과 동일한 전기적 특성을 갖는 다각형의 자기저항 센서에 있어서,
    길이 2a와 폭 b를 갖는 반도체물질로 이루어진 플레이트와;
    길이 2a와 폭 b1을 갖는 도전성물질로 이루어진 플레이트를 포함하여 이루어지며,
    상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장된 한 쌍의 전류전극들을 포함하는 바, 한 쌍의 전류전극 중에서 하나의 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a1만큼 떨어져서 위치하고 다른 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a4만큼 떨어져 위치하며, 이 전류전극들은 각각 Δa1과 Δa4의 폭을 가지며, 상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장되며 상기 전류전극들 사이에 위치하는 된 한 쌍의 전압전극들을 더 포함하는 바, 이 한 쌍의 전압전극들 중에서 하나의 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a2만큼 떨어져서 위치하고 다른 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a3만큼 떨어져 위치하며, 이 전압전극들의 폭은 계산상 0으로 취급되지만, 각각 Δa2와 Δa3의 폭을 가지며;
    상기 도전성물질로 이루어진 플레이트는 상기 반도체 플레이트의 일표면을 마주보는 표면과 밀접한 콘택을 이루며, 상기 도전성 물질의 도전율 σ0는 상기 반도체물질의 도전율 σ보다 훨씬 크고,
    μ와 μ0가 각각 상기 반도체물질과 도전성물질의 이동도이고, H가 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이드의 폭과 길이의 평면에 직각인 방향으로 인가된자기장이며, J가 전류밀도, E가 전압, β=μH, β0=μ0H이고, Etangential및 Jnormal이 반도체와 도전성물질의 경계에서 연속적이면, σ0>> σ, μ0>> μ, b1>>b일 경우,
    이 되는 바, 여기서, V0는 상수이고 {P}= α1, Δα1, α1, α2, α3, α4, Δα4, α, b1는 다음과 같은 형태 파라미터 집합이 되며,
    상기 다각형 센서의 EMR은
    EMR({P},β)=[R({P},β)-Rmin({P},β)]/Rmin({P},β)이며, 여기서 R({P},β)=ΔV({P},β)/I는 필드와 형태에 의존적인 유효저항이고,I는 인가된 일정한 전류, ΔV는 출력전압, Rmin({P},β)는 전압전극들의 위치가 비대칭일 경우 H=0에서 오프셋될 수 있는 유효저항의 최소값이며, 상기 다각형 자기저항 센서에 대한 충전인자 α는
    로 표현되는 다각형의 자기저항센서.
  45. 제 44항에 있어서, 상기 전압전극들은 대칭을 이루며 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다각형의 자기저항 센서.
  46. 제 44항에 있어서, 상기 전압전극들은 비대칭적으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다각형의 자기저항 센서.
  47. 매립된 이종부분을 가진 자기저항 반데르포 센서의 전기적 특성과 동일한 전기적 특성을 갖는 자기저항 센서에 있어서,
    길이 2a와 폭 b를 갖는 반도체물질로 이루어진 플레이트와;
    길이 2a와 폭 b1을 갖는 도전성물질로 이루어진 플레이트를 포함하여 이루어지되,
    상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장된 한 쌍의 전류전극들을 포함하는 바, 한 쌍의 전류전극 중에서 하나의 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a1만큼 떨어져서 위치하고 다른 전류전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a4만큼 떨어져 위치하며, 이 전류전극들은 각각 Δa1과 Δa4의 폭을 가지며, 상기 반도체 플레이트는 그 일표면으로부터 연장되며 상기 전류전극들 사이에 위치하는 된 한 쌍의 전압전극들을 더 포함하는 바, 이 한 쌍의 전압전극들 중에서하나의 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a2만큼 떨어져서 위치하고 다른 전압전극은 상기 플레이트의 중심으로부터 간격 a3만큼 떨어져 위치하며, 이 전압전극들의 폭은 계산상 0으로 취급되지만, 각각 Δa2와 Δa3의 폭을 가지며;
    상기 도전성물질로 이루어진 플레이트는 상기 반도체 플레이트의 일표면을 마주보는 표면과 밀접한 콘택을 이루며, 상기 도전성 물질의 도전율 σ0는 상기 반도체물질의 도전율 σ보다 훨씬 크고,
    μ와 μ0가 각각 상기 반도체물질과 도전성물질의 이동도이고, H가 상기 반도체 플레이트와 도전성 플레이드의 폭과 길이의 평면에 직각인 방향으로 인가된 자기장이며, J 가 전류밀도, E 가 전압, β=μH, β0=μ0H이고, Etangential및 Jnormal이 반도체와 도전성물질의 경계에서 연속적이면, σ0>> σ, μ0>> μ, b1>>b일 경우,
    이 되는 바, 여기서, V0는 상수이고 {P}= a1, Δa1, a2, a3, a4, Δa4, a, b, b1는 다음과 같은 형태 파라미터 집합이 되며,
    상기 다각형 센서의 EMR은
    EMR({P},β)=[R({P},β)-Rmin({P},β)]/Rmin({P},β)이며, 여기서 R({P},β)=ΔV({P},β)/I는 필드와 형태에 의존적인 유효저항이고,I는 인가된 일정한 전류, ΔV는 출력전압, Rmin({P},β)는 전압전극들의 위치가 비대칭일 경우H = 0에서 오프셋될 수 있는 유효저항의 최소값이며, 상기 다각형 자기저항 센서에 대한 충전인자 α는
    로 표현되는 자기저항 센서.
  48. 제 47항에 있어서, 상기 전압전극들은 대칭을 이루며 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
  49. 제 47항에 있어서, 상기 전압전극들은 비대칭적으로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 자기저항 센서.
KR1020017008478A 1999-11-30 2000-11-30 좁은 밴드갭을 갖는 이종 반도체에 있어서의 실온에서의이상 자기저항 KR100696960B1 (ko)

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