KR20080063733A - 자기장 영역의 음·양 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질융합 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체-자성물질 융합 소자는 반도체(InAs) 2차원 전자 위에 마이크로자석(Co)이 증착되고, 마이크로자석에서 나오는 stray field를 이용한 음·양 자기장 영역의 접합 구조를 갖는 소자이다. 이러한 반도체-자성물질 융합 소자에서 측정된 자기저항은 비대칭적인 홀 저항 모양을 하고 있고, 자기저항 변화가 매우 크다. 측정 데이터는 diffusive 모델과 ballistic 모델에 의해 계산된 결과와 잘 일치한다.

Description

자기장 영역의 음·양 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질 융합 소자{HYBRID SEMICONDUCTOR-FERROMAGNET DEVICE WITH A JUNCTION OF POSITIVE AND NEGATIVE MAGNETIC-FIELD REGIONS}

본 발명은 반도체 내에 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질 융합 소자에 관한 것이다.

반도체-자성물질 융합 소자는 자기장 센서, 비휘발성 메모리 소자, 스핀트로닉스 등 최근 각광받고 있는 분야에 응용할 수 있는 소자로서 주목받고 있다. 특히, 반도체-자성물질 융합 소자의 자기저항을 기반으로 한 센서는 현재 고밀도 정보 저장 및 위치/속도 측정 소자 기술의 핵심이 될 수 있는 차세대 기술이다. 이들 소자에서는 반도체 내의 전자의 움직임이 균일하지 않은 국소 자기장에 의해 조절된다.

최근 주목받고 있는 자기장 센서로는 GMR과 TMR 소자가 있다. 그러나, 이들 소자는 일부 응용에 단점을 가지고 있으며, 특히 최근 각광받고 있는 magnetic bead를 이용한 biomolecule 센서 분야에서는 GMR 및 TMR 소자보다 본 발명에서 제안한 소자가 월등한 성능을 보인다.

한편, 최근 소개된 자기장 센서로서 Solin 등에 의해 보고된 extraordinary magnetoresistance(EMR) 소자가 있다. EMR 소자는 매우 높은 자기저항값을 보이나, 금속과 반도체 간에 접촉 저항이 매우 낮아야 하고, 제작 공정이 까다롭다는 단점을 가지고 있다.

지금까지 알려진 반도체-자성물질 융합 소자는 국소 자기장의 방향이 일률적인 한 방향이거나, 서로 반대 방향의 국소 자기장이 단일 소자에 형성되었다 해도 양의 방향 국소자기장 구역과 음의 방향 국소자기장 구역이 서로 떨어져 있는 소자이었고, 신호의 크기를 감지하는 전압 측정 단자가 국소자기장의 방향과는 상관없이 위치해 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 반대 방향의 국소 자기장 영역이 매우 근접해 있어 두 자기장 영역이 접합된 구조를 갖는 반도체-자성물질 융합 소자를 제시하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 목적은 전압 측정 단자가 양과 음 각각의 자기장 영역에 위치한 새로운 형태의 반도체-자성물질 융합 소자를 제시하는 데 있다.

본 발명에 따라 제작된 소자는 기존 소자보다 월등한 성능을 보이며, 자기장 센서뿐만 아니라, MRAM, 스핀트로닉스, biomolecule 센서 분야 등에 응용할 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 반도체-자성물질 융합 소자는,

전류가 흐르는 채널을 갖는 반도체 2DEG(2-Dimensional Electron Gas) 위에 동일평면상 소정 간격을 갖는 2개의 마이크로자석이 위치하며, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 2개의 마이크로자석이 서로 마주보는 부분 아래의 반도체 내에 부호가 서로 다른 2개의 자기 장벽이 형성되어 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 채널의 한 측면 중 상기 자기장이 음인 영역과 양인 영역에 각각 연결된 음·양 전압단자를 더 포함할 수도 있고, 상기 음·양 전압단자는 각각 상 기 자기 장벽의 최소 및 최대 높이에 해당하는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반도체 2DEG은 InAs 또는 HgCdTe 등을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하고, 이 경우 상기 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 면은 전자의 스핀의 업-다운(up-down) 접합 면일 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체-자성물질 융합 소자는,

전류가 흐르는 채널을 갖는 반도체 2DEG 위에 상기 채널과 교차하는 마이크로자석이 위치하며, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 마이크로자석 아래의 반도체 내에 부호가 서로 다른 2개의 자기 장벽이 형성되어 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 반도체-자성물질 융합 소자는,

전류가 흐르는 채널 및 상기 채널의 한 측면에 수직 연결된 다수의 전압단자를 갖는 반도체 2DEG과, 상기 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위 위에 교대로 위치하는 마이크로자석을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 이웃하는 두 전압단자는, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 채널 내에 형성되는 부호가 서로 다른 2개의 자기 장벽의 최소 및 최대 높이에 해당하는 위치에 각각 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 구조를 갖는 반도체-자성물질 융합 소자를 제작할 수 있고, 이러한 소자를 유니폴라 스핀 소자뿐만 아니라, 고집적 자기장 센서 및 메모리 소자 등에 응용할 수 있다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반도체-자성물질 융합 소자에 관한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명에서 일 목표로 하는 소자는 스핀 up/down 접합을 기반으로 하는 스핀 다이오드 및 트랜지스터이다. Unipolar spin transistor는 "스핀 주입"이 아닌 "스핀 접합"이란 개념에 기초한 것으로, 이종접합 구조가 아닌 동종으로 이루어진 구조이며, 스핀 주입이 요구되지 않은 소자란 면에서 다른 스핀 소자와 구별된다.

이러한 유니폴라 스핀 다이오드 및 트랜지스터를 제작하기 위해서는 스핀 up/down 접합을 이룰 필요가 있다. 강자성을 가지고 있는 자성 반도체의 경우, 스핀 up/down 접합은 스핀 방향이 서로 반대인 도메인의 접합으로 구현할 수 있다. Ruster 등은 GaMnAs 와이어의 nanoconstrictions를 이용한 일종의 스핀 up/down 접합 구조를 이루는 자성 반도체 소자를 제작하여 거대 자기저항을 관측했다. 그러나, 이러한 자성 반도체는 운반자의 농도가 너무 커서 효과적인 다이오드가 될 수 없다. 즉, 페르미 준위가 valance band 아래에 위치한 축퇴된(degenerate) 반도체이기 때문에, 반도체라기보다는 금속에 가까운 상태여서 스핀 다이오드나 트랜지스터 작용을 할 수 없다.

스핀 up/down 접합을 위해 자성 반도체를 사용할 경우 상술한 바와 같이 페르미 준위가 valance band 아래에 위치한 축퇴된 반도체이기 때문에, 반도체라기보 다는 금속에 가까운 상태여서 스핀 다이오드나 트랜지스터 작용을 할 수 없다. 이에 따라, 유니폴라 스핀 트랜지스터를 위해서는 운반자 농도가 비교적 작은 비축퇴(Non-degenerate) 반도체, 즉 페르미 준위가 밴드갭 사이에 위치한 반도체가 요구되나, 지금까지 자발 자화를 나타내는 반도체는 상술한 예와 같이 모두 축퇴된 반도체이다. 따라서, 효과적인 유니폴라 스핀 다이오드를 형성하기 위해서는 외부자기장에 의해 스핀 분리가 큰 반도체, 즉 상자성(paramagnetism)이 큰 반도체를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 Zeeman 효과에 의한 상자성이 큰 반도체 즉, g-factor가 큰 반도체를 사용하였다.

한편, 일부 DMS(Dilute Magnetic Semiconductor)는 물질 내부에 존재하는 자성 이온과 전자와의 교환 상호작용에 의해 매우 큰 g-factor를 가지나, 자성 이온이 있는 경우 스핀 완화시간(spin relaxation time)이 매우 작아 효과적인 스핀 접합 소자로 사용하기가 어렵다. 따라서, 유니폴라 스핀 다이오드나 트랜지스터를 위한 바람직한 소재는 g-factor가 크고 자성 이온이 없는 반도체가 적당하다.

Zeeman 효과에 의한 스핀 up/down 접합을 이루기 위해서는 우선 자기장 방향이 음인 영역과 양인 영역의 접합 구조가 요구된다. 즉, 먼저 g-factor가 큰 반도체에 자기장의 음양 접합을 형성하면, 큰 Zeeman 효과에 의해 스핀 분리가 각 접합영역에서 일어나, 다수 운반자(majority carrier)가 스핀 up과 down인 두 영역의 접합이 이루어진다. 이러한 스핀 접합이 통상적인 pn 접합 다이오드에 대응하는 스핀 다이오드이고, 자기장이 음과 양인 영역이 반복되어 이루어진 음·양·음 접합 구조는 pnp 접합 트랜지스터에 대응하는 unipolar spin transistor가 된다.

자기장이 음과 양인 영역은 국소자기장을 형성해야 하는데, 이는 시료 위에 마이크로자석을 적당히 위치시켜, 그로부터 나오는 stray field를 이용하였다. 즉, 반도체 위에 적당한 모양과 크기의 자성물질을 증착시킨 반도체-자성물질 융합 소자를 제작하였다.

본 발명에서는 이러한 스핀 접합 구조의 핵심이라고 할 수 있는 자기장 영역의 음양 접합 구조 형성 및 제어에 관한 것이고, 이러한 구조를 조사하기 위하여 자기저항 측정 방법을 주로 사용하였다. 자기장 영역의 음양 접합 구조에서는 운반자의 전하가 자기장에 의해 힘(Lorentz force)을 받아 궤도 운동(orbital motion)을 하며, 이는 매우 독특한 형태의 자기저항으로 나타난다.

시료 제작 및 측정

본 발명에서는 자기장 영역의 음양 접합 구조를 형성하기 위하여 새로운 형태의 반도체-자성물질 융합 소자를 제작하였다. 기존의 반도체-자성물질 융합 소자에서는 1개의 자기장 장벽(magnetic barrier)만이 있었으나, 본 발명에서는 2개의 서로 다른 방향을 가지는 자기 장벽을 형성하고, 전압 측정단자(voltage probe)(이하, "전압단자"와 혼용해서 사용됨)의 위치를 이 자기 장벽의 최대 및 최소 높이에 해당하는 위치에 만들어, 자기장 영역의 음양 접합 구조를 구현하였다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체-자성물질 융합소자는 InAs 2차원 전자(2-Dimensional Electron Gas; 이하 "2DEG"이라 함) 위에 마이크로자석을 위치시켰다.

InAs 2DEG는 Hall-bar형태이고, 전압 측정단자([A],[B],[C],[D])는 두 전류 단자([I+],[I-])를 갖는 채널에 76^o 정도 기울어진 형태로 제작되었다. 인접한 전압 측정단자는 그 사이의 "평균 거리"를 자기 장벽이 최대 및 최소에 해당하는 위치와 일치시키기 위해서 "V"자 모양으로 형성하였다. 이렇게 제작된 시료에 대한 diffusive model에 의한 전산 모사는 도 3에 나타낸 바와 같이 인접한 전압 측정단자의 "평균 거리"만큼 떨어져 있다고 가정하였고, 전산 모사와 측정 결과가 잘 일치하는 것으로 보아 "평균 거리" 아이디어는 훌륭하게 적용된 것으로 사료된다. 또는, 전압단자를 "V"자 모양으로 형성하지 않고, 채널에 수직이 되도록 형성할 수도 있다. 본 실시예에서는 채널과 전압단자가 일체로 형성되었지만, 본 발명의 내용은 이에 한정되지 않고 별개로 형성되어 연결될 수도 있다.

본 발명에 사용되는 반도체 2DEG에는 InAs 외에 HgCdTe, Si, GaAs, InGaAs 등의 일반적인 반도체 2DEG이 사용될 수 있다. 이 중에서 InAs나 HgCdTe와 같이 g-factor가 크고, 전자의 농도가 작은 반도체의 경우, 자기장의 음양 접합 구조가 곧 스핀 up/down 접합 구조가 되므로, 효과적인 스핀 up/down 접합 소자를 위하여 지금까지 사용한 것보다 전자 농도가 작은 InAs를 이용하는 것이 바람직하다. InAs 기반 소자는 상온에서도 우수한 MR 특성을 보이고, 자기장에 대한 스핀 민감도가 커서 스핀 분리나 스핀 접합 소자에 잘 적용될 수 있기 때문이다. 또한, 다른 반도체에 비해 자기장에 대한 스핀 민감도(g-factor)가 월등히 큰 HgCdTe도 사용될 수 있다. HgCdTe는 자기장이 1Tesla에서 57meV의 스핀 분극을 가질 수 있으며, 스핀 수명 또한 매우 커서(356 ps at 150K) 스핀 소자로서 좋은 고유 특성을 갖고 있다.

또한, InAs mesa 표면에 스퍼터링 방법에 의하여 두께 300nm, 길이 20㎛의 코발트(Co) 마이크로자석을 형성하였다. 본 발명에서 사용되는 마이크로자석에는 Co 외에 CoPt, CoFe, FeNi, CoFeB, CoZrB, FePt 등이 사용될 수도 있다. 2가지 종류의 시료가 제작되었다.

S1 시료는 도 2에 나타낸 바와 같이 전류가 흐르는 채널(전류단자)과 전압단자의 폭이 각각 1.0㎛, 0.5㎛이고, 0.66㎛ 간격의 2개의 코발트 마이크로자석을 사용하였다. 이때, 마이크로자석의 폭은 상기 채널의 폭보다 큰 것이 바람직한데, 이는 채널의 수직 단면상에서 자기 장벽이 균일하게 형성되도록 하기 위함이다. 또한, 2개의 마이크로자석 사이의 거리는 0.1∼1.0㎛인 것이 바람직하다. 본 소자는 자기장의 세기가 음양 접합 부분에서 급격하게 변해야 하는데, 2개의 마이크로자석 사이의 거리가 1.0㎛보다 커지면 자기장 변화가 완만한 접합이 형성되어 소자 성능이 저하될 수 있고, 거리가 0.1㎛보다 작으면 마이크로자석으로부터 나오는 자기장이 상쇄효과를 일으켜 소자의 성능이 저하될 수 있기 때문이다.

도 4는 S2 시료의 SEM 사진으로 채널과 전압단자의 폭이 각각 1.85㎛, 0.84㎛이고, 폭이 0.93㎛인 한 개의 직사각형 모양의 코발트 마이크로자석이 인접한 전압 측정단자 사이에 형성되었다.

InAs 2DEG는 마이크로자석이 있는 표면으로부터 35.5nm 아래에 위치해 있다. InAs 2DEG과 마이크로자석 사이에는 절연층이 개재되어 있다. 절연층의 두께는 마이크로자석의 두께보다 작은 것이 바람직한데, 본 실시예에서 사용되는 마이크로자 석의 두께가 300nm인 점을 고려할 때, 절연층의 두께가 300nm보다 크면 소자의 감지도가 매우 떨어진다. 절연층의 두께가 작을수록 소자의 감지도가 높아진다. 따라서, 마이크로자석이 절연체인 경우 별도의 절연층이 불필요하고 InAs 2DEG는 마이크로자석에 접촉할 수도 있다.

측정은 98Hz의 AC 1㎂를 사용하여 1Lock-in 기술에 의해 외부자기장에 따른 저항을 측정하였으며, 전류를 [I+]단자에서 [I-]단자로 흘리면서, 전압 측정단자([A],[B],[C],[D])를 이용하여 4단자 방법으로 저항을 측정하였다. S1과 S2의 이동도와 운반자 농도는 2K에서 각각 7.86m²/Vsec, 2.0x10¹⁶m^-2이고, 300K에서 각각 2.0m²/Vsec, 2.1x10¹⁶m^-2이다. 2K에서 이동도와 운반자 농도로부터 구한 운반자의 평균자유행로(mean free path)가 1.85㎛이고, 이 크기가 S1 시료의 크기보다 작다는 점을 고려할 때, 2K에서 S1 시료의 전도 현상은 ballistic motion으로 고려해야 함을 알 수 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 외부자기장(B_ext)이 시료 면에 평행하게 인가될 때, 마이크로자석은 이 외부자기장에 의해 자화되고, 그 양변에서 나오는 stray field의 수직 성분(B_z)은 부호가 반대인 2개의 자기 장벽을 만든다. 2차원 전자의 특성에 의해 소자 면에 수평인 자기장 성분은 자기 저항에 기여하지 않는다. 따라서, 오직 수직 자기장 성분만이 시료에 영향을 줄 수 있으므로, 전도에 기여하는 운반자는 마이크로자석의 자화에 기인한 자기 장벽에 의해서만 영향을 받는다.

자기 저항의 전산 모사

측정된 결과에 대한 전도현상을 규명하고, 최대의 자기 저항 효과를 얻을 수 있는 시료의 제작 조건을 구하기 위하여 자기 저항에 대한 전산 모사를 하였다. 실험에 사용된 시료의 운반자는 전자이나, 계산의 편의를 위하여 전산모사에서는 양으로 대전된 입자(positron)을 고려하되, 실제 자기장과 부호가 반대인 자기장을 사용하여, 실험 상태와 동등한 계를 사용하였다. 전도현상은 운반자의 평균자유행로와 시료의 상대적 크기에 따라 diffusive 또는 ballistic model로 구별할 수 있으므로, 전산모사도 2가지 방법으로 수행되었다. 즉, 평균자유행로가 시료의 크기보다 큰 경우는 ballistic model로, 그렇지 않은 경우는 diffusive model로 전산모사를 하였다.

Diffusive model에 의한 계산은 finite difference method을 사용하여 전위(φ)과 전류밀도(J) 분포가 계산된다. steady state에서의 연속방정식 조건에 의하여 전류밀도의 divergence는

▽·J(x,y) = 0 (1)

이다. 또한, E를 전기장이라 할 때, Ohm의 법칙에 의해 J = σ·E 이다. 면에 수직인 자기장이 있을 때, 전도도(σ)는 다음과 같이 2차원 텐서로서 자기장의 함수로 나타낼 수 있다.

여기서, μ는 이동도, B_z는 시료 면에 수직인 자기장이며, σ₀는 자기장이 없을 때의 전도도이다. 자기 장벽과 같은 국소 자기장을 고려할 때에는 전도도 텐서도 위치의 함수로 취급되어야 한다. steady state에서는 E = - ▽·φ 이므로, (1)식은 다음과 같은 2차원 elliptic partial differential equation이 된다.

▽·(σ(x)·▽φ(x,y)) = 0 (3)

이 식의 확장된 형태는

이다. 식(4)의 해인 전위분포 φ(x,y)는 2개 전류단자의 전압 차가 일정하며, 그 외 경계부분에서는 경계에 수직인 전류 성분이 없다는 경계조건을 이용하여 finite difference method으로 구하여진다. 중요 물리량 중의 하나는 전류밀도와 전기장 사이의 각도로 정의되는 Hall angle(Φ _H )이다. Φ _H = tan^-1μB_z로 표현되는 Hall angle은 식(2)로부터 유도할 수 있다.

Ballistic model에 의한 자기저항은 Landauer-Buttiker(LB) 공식을 이용하여 계산되었으며, 자기장의 공간적 분포뿐만 아니라, 전압 측정단자를 포함한 시료의 모든 모양과 크기가 계산 parameter로 사용된다. 저항은 입사된 각 입자들의 궤도를 구하여 얻어지는데, 본 계산에서는 Lorentz force를 받은 고전적인 positron으로 이루어진 계를 고려하였다. 전류 및 전압 단자를 통하여 다양한 위치와 각도로 입사된 입자들은 Fermi 속도로 운동하며 자기 장벽의 영향과 시료 경계에서의 반사 에 의해 궤도를 그리며 본래의 단자로 되돌아가거나 다른 단자로 나간다. 이때, 각 단자에 도착한 입자 수가 계산되어 투과 확률(transmission probability)이 구해지고, 이로부터 conductance가 얻어진다. q단자로 입사해서 p단자로 입자가 나가는 경우 conductance(G_pq)는 다음 식에 의해 구해진다.

여기서, W는 입사된 단자의 폭, λ_F는 Fermi wavelength, T_{p ←q}는 q단자에서 p단자로 통과하는 투과 확률이다.

실험 결과 및 분석

본 발명에서 제작된 소자는 전압단자의 선택에 따라 2가지 저항 측정 방법이 가능하다. 도 2 및 도 4에서, 소자의 한쪽 변에 위치한 전압 측정단자 쌍인 [A][B] 또는 [C][D] 간의 전위 차를 측정하면 소자의 통상적인 저항(R_AB 또는 R_CD)을 구할 수 있고, 소자 두 변에 각각 위치한 전압 측정단자 쌍인 [D][B] 또는 [C][A]를 택하면 시료의 Hall 저항(R_{H , DB} 또는 R_{H , CA})을 측정하게 되며, 이 경우 자기장이 음과 양인 자기장 영역에 대한 각각의 Hall 저항이 된다.

일반적으로 히스테리시스를 포함한 자기저항 곡선은 외부자기장에 대하여 짝함수(even function)이다. 즉, 저항을 y축, 외부자기장을 x축으로 놓을 때, y축에 대하여 대칭인 형태이다. 한편, Hall 저항은 홀함수(odd fucntion) 형태로서, 원점 에 대하여 대칭인 특성을 가지고 있다.

그러나, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이, 외부자기장에 따라 측정된 저항(R_CD)은 Hall 저항이 아닌 보통의 저항임에도 불구하고, 측정된 데이터는 Hall 저항과 같이 자기장의 방향이 바뀌어도 단조 감소하는 경향을 보이는 홀함수를 닮은 형태이다. 즉, 외부자기장이 작은 부근에서 자기저항이 급격히 선형적으로 변한다. 특히, 2K에서는 외부자기장이 양의 방향일 때, 음의 저항이 측정되었다. 이러한 자기저항의 비대칭 구조는 전압 측정단자 부근의 자기장 영역이 음과 양이 접합된 구조에 기인한 것이며, 이에 대하여는 뒷부분에서 자세히 논하겠다. 외부자기장에 대해 측정된 자기저항의 총 변화량은 300K와 2K에서 각각 104, 148로서 매우 크며, 외부자기장이 0인 부근에서의 current sensitivity(dR/dB)는 300K와 2K에서 각각 315Ω/T, 368Ω/T이다.

자기저항을 전산 모사에 의해 계산하기 위해서는 마이크로자석의 자화(M)에 따른 수직 자기장 성분(B_z)을 알아야 한다. 본 발명에서는 Vencurar 등이 사용한 간단한 공식을 이용하여 주어진 M에 대해 B_z 분포를 구하였고, M과 외부자기장과의 관계는 도 6a의 inset에 나타낸 것처럼 가정하였다. 이러한 한 가지 가정으로 S1 시료에 대한 모든 측정된 자기저항 특성이 성공적으로 잘 fitting 되었다. 300K에서는 InAs 2DEG 운반자의 평균자유행로가 0.46㎛로 소자의 크기에 비해 작으므로 diffusive model을 이용하여 자기저항을 계산하였고(도 6a의 실선), S1 소자의 경우 2K에서 평균자유행로가 소자 크기에 비해 크므로 ballistic model을 이용하여 계산하였다(도 6b의 실선). 계산된 자기저항은 모두 실험치와 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.

본 소자의 자기저항의 원인을 구체적으로 알아보기 위해서 S2 소자의 자기 및 Hall 저항 측정과 전산 모사를 체계적으로 수행하였다. 2K에서 S2 소자의 크기는 평균자유행로와 비슷하므로, diffusive한 전도가 주되게 작용할 것으로 예상된다. 측정된 데이터와 계산 결과가 도 7a에 나타낸 바와 같이 비교적 잘 일치하고 있다. 2개의 Hall 저항(R_{H , DB}, R_{H , CA})은 각각 양의 기울기와 음의 기울기를 나타내며, 저항 축(y축)에 대하여 대칭적인 관계를 보이고 있으므로, 자기장이 음인 영역과 양이 영역이 잘 분리되어 있음을 알 수 있다. 한편, 시료의 두 변에서 측정된 2개의 자기저항(R_CD, R_AB)도 Hall 저항과 비슷한 형태를 가지며, 저항 축에 대하여 역시 대칭적 관계를 보이고 있다. 따라서, 자기저항(R)은 근사적으로 다음과 같이 표현될 수 있다.

R = R₀ + R_H (6)

여기서, R₀는 전압단자의 평균 간격에 의한 저항으로 자기장에 무관한 상수이며, R_H는 Hall 저항과 유사한 홀함수 형태의 저항이다. 이러한 R_H의 원인은 diffusive model의 경우 도 7c에서 계산된 전류와 전위 분포를 Hall angle과 관련지어 고려하면 잘 이해된다. 자기 장벽 근처(x=-0.5㎛ 근처)에서의 Hall angle은 약 ±80°이고, 그 부호는 자기장의 부호와 같다. 전기장이 등전위선과 수직임을 고려할 때, 이와 같이 Hall angle이 수직에 가깝다는 것은 전류의 방향이 등전위선에 거의 평행하다는 것을 의미한다. 즉, 2개의 자기 장벽을 자기장이 음과 양인 영역으로 근사해서 고려하면, 이 영역에서는 전류의 방향이 등전위선에 평행이며, 음과 양의 각 영역에서 서로 반대 방향이다. 자기장이 음인 영역(도 7c의 x=-0.5㎛ 근처)에서는 전류가 양의 y 방향 쪽으로 흘러, 단자[A] 부근에 양의 전하가 축적되고, 자기장이 양인 영역(도 7c의 x=0.5㎛ 근처)에서는 전류가 음의 y 방향으로 흘러, 단자[D] 부근에 양의 전하가 축적된다. 이러한 전하 축적에 의하여 단자 [A]와 [D]의 상대적인 전위(V)가 다른 전압단자에 비하여 높은 상태가 된다. 측정되는 저항은 전압단자 간의 전위차를 인가해준 일정 전류(I)로 나누어준 값으로 정해지므로, 부호가 반대인 자기장 영역이 도 7b와 같이 형성됨으로써 R_AB(=(V_A-V_B)/I)는 증가하고, R_CD(=(V_C-V_D)/I)는 감소하게 된다. 이러한 메카니즘에 의해 소자의 두 변에서 측정한 저항 중 하나는 외부자기장이 증가함에 따라 증가하고, 다른 하나는 감소하게 되는 것이다. 또한, 각 자기장 영역에서 서로 다른 변에 전하가 축적된 결과는 도 7a의 Hall 저항 측정 결과가 잘 뒷받침해 주고 있다.

Ballistic model에 의하여 계산된 결과도 diffusive 경우와 유사하다. 주된 차이는 측정된 저항이 ballistic 경우에 음의 값이라는 것이다. 도 8a는 S1 소자에 대해 계산된 입자의 궤도이다. 이 궤도들은 전류단자 [I+]에서 [I-]로 가는 궤도 중 가장 확률이 큰 것이므로, ballistic motion에 의해 근사적으로 전류가 흐르는 대표 경로로 이해할 수 있다. [I+]를 출발한 입자(또는 전류의 대표 경로)는 [A]와 [D]를 거쳐 [I-]로 나간다. 이 경우에서도 단자 [A]과 [D]에 전하 축적이 이루어지며, 이들 단자에 축적된 전하는 [A]과 [D]의 전위를 증가시킨다. Ballistic이기 때문에 식(6)의 R₀를 무시하면 이들 축적된 전하에 의해 증가된 [A]과 [D] 단자의 전위는 Hall 저항에 기여하는 것과 똑같은 양태로 자기저항에 기여하여 되어, 도 8b에 나타낸 바와 같이 Hall 저항과 자기저항이 크기와 형태 면에서 매우 유사한 특성을 보이게 된다.

지금까지 설명한 diffusive와 ballistic model에 근거한 계산 결과는 측정된 Hall 및 자기저항과 매우 잘 일치하였다. 이 두 모델의 공통적인 핵심 내용에 근거하여 본 발명에서 제작한 소자의 작동 메카니즘을 간단히 도식적으로 설명한 것이 도 8b 내지 도 8d이다.

먼저, 실제 소자 내의 운반자가 느끼는 자기장 분포를 도 8b에 나타낸 바와 같이 간단히 양의 자기장 영역과 음의 자기장 영역으로 근사할 수 있다. Lorentz 힘에 의하여 전하가 축적되는 소자의 변(또는 전압단자)은 주어진 영역의 자기장의 방향에 의해 결정되므로, 서로 반대 방향의 자기장 영역은 서로 반대 편에 위치한 소자의 변(또는 전압단자)에 전하를 축적하게 된다. 그 결과, 도 8c에 나타낸 바와 같이 전압단자 [A]과 [D]에 전하 축적이 이루어지며, 이들 단자는 도 8d에서와 같이 상대적 전위가 여타 전압단자보다 크게 된다. 특히 ballistic인 경우에는 전압 단자의 평균 간격에 의한 저항(식(6)의 R₀)가 무시되므로, [D]에서의 전위(V_D)가 [C]에서의 전위(V_C)보다 커서 측정되는 저항(R_CD=(V_C-V_D)/I)이 음의 값을 가지게 된 다. 따라서, 본 발명에서 제작한 소자에서 나타나는 자기저항 특성은 Hall 효과에 근거한 것이며, 한 소자 내에 2개의 Hall 효과의 조합에 의한 특성이라 해석할 수 있다.

제작된 소자의 응용

본 발명에서 얻어진 자기장 영역의 음양 접합 기술은 스핀 업-다운 접합에 기초한 Unipolar spin device에 직접 적용할 수 있는 핵심 기술이다. Unipolar spin device 이외에도 본 발명에서 제작한 소자가 다양한 분야에 응용될 수 있는데, 그에 대하여 논하면 다음과 같다.

국소 자기장이어서 공간적 변화가 0이 아닌 경우(즉, ∂B/∂x≠0), 스핀 up과 down은 각각 반대 방향으로 힘을 받는다. 이를 이용하여 본 발명에서 제작한 소자를 스핀 필터에 응용할 수 있다.

본 소자에서 측정된 자기저항은 마이크로자석의 자화에 기인하기 때문에 히스테리시스를 보이며, 외부자기장이 없을 때 자화의 이력에 따라 2개의 저항값이 존재한다. 저항값의 차이(△R)는 도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이 300K와 2K에서 각각 24Ω과 38Ω이다. 이러한 큰 △R는 본 소자가 MRAM(magnetic random access memory)에 응용될 수 있음을 나타낸다. 반도체-자성물질 융합 소자를 이용한 MRAM 소자는 Johnson등에 의해 제안된바 있으나, Hall 저항 측정 소자이기 때문에 고밀도 소자에 적용하기 어려운 단점이 있었다. 그러나, 본 발명에서 제작한 소자는 통상의 저항을 사용하므로 전압 측정단자가 소자의 한쪽 변에 위치해 있어 고밀도에 적용하기 용이하다.

한편, 본 소자는 자기센서로의 응용도 가능하다. 외부자기장에 대한 저항의 변화가 Hall 저항과 비슷하여 자기장의 방향뿐만 아니라 세기도 측정 가능하며, 앞에서 기술한 바와 같이 외부자기장이 작은 영역에서 큰 sensitivity(dR/dB)를 보이고 있어 훌륭한 자기센서가 될 것으로 기대된다. 특히, 최근 각광받고 있는 magnetic bead를 이용한 biomolecule 센서로의 응용이 주목된다. biomolecule 센서의 원리는 도 9에서 잘 도시되어 있으며, 작고 민감한 자기장 센서로 이해할 수 있다. 본 소자의 센서 부분의 크기가 약 1㎛이고, 상용화되어 일반적으로 사용되는 magnetic bead의 크기가 0.5∼5㎛임을 고려할 때, 본 소자는 단일 magnetic bead 감지 소자로 이용될 수 있다.

현재, solid-state biomolecule 센서로서 주목을 받고 있는 대표적인 소자는 자성금속 기반의 스핀 밸브(spin valve)형 소자와, 반도체 기반의 홀 센서(Hall sensor)가 있다. 본 소자는 이들 소자에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있는데, 이를 요약하면 다음과 같다.

먼저, 기존의 스핀 밸브형 소자보다 우수한 점을 살펴본다.

magnetic bead를 감지하기 위해서는 우선 이것을 외부자기장에 의하여 자화시켜야 한다. 상용화된 magnetic bead의 자화에 요구되는 자기장은 100∼1000 Oe 정도이다. 그러나, GMR이나 TMR 스핀 밸브형 소자는 이러한 자기장 영역에서 이미 포화(saturation)되어 magnetic bead 센서로 사용하는데 어려움이 있다. 또한, 스핀 밸브형 소자는 자기장에 따른 신호가 비선형적이다. 즉, magnetic bead에서 나오는 stray field의 세기를 감지하는 소자 신호가 급격하게 비선형적으로 변하여, magnetic bead의 개수나 위치를 감지하는데 난점이 있다. 그러나, 본 소자는 측정 데이터에서 보이듯이 약 ±1500 Oe 범위에서 소자 신호인 자기저항이 선형적이어서 스핀 밸브형 소자의 상술한 단점들을 극복할 수 있다.

그 다음, 기존의 홀 센서보다 우수한 점을 살펴본다.

홀 센서는 전류가 흐르는 채널의 양 변에 전압단자가 위치하여 십자(cross)형를 이루고 있다. 이러한 형태의 전압단자 구성으로 인해 1개 소자가 차지하는 크기가 비교적 커져서 array 구조를 이루는 집적화된 소자를 제작할 경우 전체 면적이 커질 수 있다. 도 1은 최근에 발표된 홀 소자를 이용한 biomolecule 센서의 1차원 array 구조이다.

그러나, 본 발명에서 제안된 소자로 동일한 기능을 하는 1차원 array를 구성할 경우, 도 10a 및 도 10b에 나타낸 소자를 제작할 수 있다.

도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명에서 제안된 소자는 전류가 흐르는 채널 및 이 채널의 한 측면에 수직 연결된 다수의 전압단자를 갖는 반도체 2DEG과, 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위 위에 교대로 위치하는 마이크로자석을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 이웃하는 두 전압단자는, 외부자기장이 인가됨에 따라 채널 내에 형성되는 부호가 서로 다른 2개의 자기 장벽의 최소 및 최대 높이에 해당하는 위치에 각각 형성되는 것이 바람직하다.

전압단자 V₁과 V₂를 측정할 경우, 전압단자 사이에 마이크로자석이 있으므로 본 발명에서 제작한 S2 시료의 형태와 같다. 즉, 상기 이웃하는 두 전압단자 사이 의 채널 부위 위에 마이크로자석이 위치하는 경우, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위에 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 면이 형성된다.

또한, V₂과 V₃을 측정할 경우는 S1 시료의 전압단자와 마이크로자석의 구성과 같다. 즉, 상기 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위 위에 마이크로자석이 위치하지 않는 경우, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위에 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 면이 형성된다.

이렇게 전류 채널의 각 전압 단자 사이의 영역이 하나의 자기장 센서로서 1차원 array의 단위 소자를 이루게 된다. 이러한 구조는 기존의 홀 센서를 이용한 구조(도 1)와 비교해 볼 때, 전압단자의 개수가 반으로 줄어든 형태이며, 전압단자의 배열도 전류 채널의 한쪽 변에만 위치해 있어 소자의 전체 크기도 줄일 수 있다.

한편, 본 발명에서 제안된 소자는 기본적으로 홀 전압에 기인한 것이라는 면에서 기존의 홀 센서와 유사하나, 전류 채널 위에 위치한 마이크로자석이 감지하고자 하는 자기장의 크기를 증폭하는 작용을 하므로, 신호도의 감지도가 기존의 홀 센서보다 크다. 따라서, 본 발명에서 제안된 biomolecule 센서 array는 감지도가 홀 센서보다 크고, 소자의 복잡성과 크기를 홀 센서에 비해 절반으로 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 발명은 도시된 실시예를 중심으로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 할 수 있는 다양한 변형 및 균등한 타 실시예를 포괄할 수 있음을 이해할 것이다.

도 1은 종래의 홀 소자를 이용한 biomolecule 센서의 1차원 array 구조로서, 신호를 감지하는 전압단자(V_H)와 전류채널이 십자(cross)형을 이루며, 이 십자영역이 단위 센서로서 작용한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체-자성물질 융합 소자(S1 시료)의 SEM 이미지이다.

도 3은 도 2에 나타낸 S1 시료를 위한 diffusive 이동에 근거한 계산용 모델이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체-자성물질 융합 소자(S2 시료)의 SEM 이미지이다.

도 5은 도 2에 나타낸 S1 시료의 개략적인 단면도와 외부자기장에 의해 자화된 마이크로자석의 수직 성분의 크기를 나타낸 그래프이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 300K와 2K에서의 MR과 Hall 저항의 측정치와 계산치를 나타낸 그래프이다. 각 도면에서 실선은 각각 300K에서 diffusive model을 이용한 계산치와 2K에서 ballistic model을 이용한 계산치이다.

도 7a는 2K에서 S2 시료의 MR과 Hall 저항의 측정치와 계산치를 나타낸 그래프이다. 도면에서 실선은 diffusive model을 이용한 계산치이다.

도 7b는 마이크로자석의 자화가 1T일 때, 자기장의 수직 성분의 크기를 나타낸 그래프이다. 도 7b의 inset은 마이크로자석의 자화와 외부자기장 사이의 관계를 가정한 그래프이다.

도 7c는 도 7b에서 주어진 자기장에 의한 전류 분포(작은 화살표)와 등전위선(실선)를 나타낸다.

도 8a는 S1 시료에서 전류단자 [I+]에서 [I-]로 가는 입자의 궤도 중 가장 확률이 큰 ballistic 궤도를 나타낸다. 얇은 실선은 마이크로자석이 1.8T 자화될 때의 자기장 수직 성분의 크기를 나타낸다.

도 8b는 마이크로자석의 자화가 1T일 때, 음·양 자기장 영역으로 이루어진 접합을 나타낸 도면이고, 도 8c는 음·양 자기장 영역에 있는 전하의 궤도를 도시한 개략도이며, 도 8d는 각 전압단자에서 측정된 정전압을 나타낸 그래프이다.

도 9는 biomolecule 센서의 원리를 나타낸 개략도이다.

도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체-자성물질 융합 소자의 평면도 및 단면도이다.

Claims (6)

1. 전류가 흐르는 채널 및 상기 채널의 한 측면에 수직 연결된 다수의 전압단자를 갖는 반도체 2DEG과,

   상기 다수의 전압단자 중 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위 위에 교대로 위치하는 마이크로자석을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반도체-자성물질 융합 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 전압단자 중 이웃하는 두 전압단자는, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 채널 내에 형성되는 부호가 서로 다른 2개의 자기 장벽의 최소 및 최대 높이에 해당하는 위치에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 반도체-자성물질 융합 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 전압단자 중 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위 위에 마이크로자석이 위치하는 경우, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위에 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 면이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체-자성물질 융합 소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 전압단자 중 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위 위에 마이크로자석이 위치하지 않는 경우, 외부자기장이 인가됨에 따라 상기 이웃하는 두 전압단자 사이의 채널 부위에 자기장이 음인 영역과 양인 영역 간의 접합 면이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체-자성물질 융합 소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 마이크로자석과 상기 반도체 2DEG 사이에 절연층이 개재된 것을 특징으로 하는 반도체-자성물질 융합 소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 반도체 2DEG은 InAs 또는 HgCdTe를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체-자성물질 융합 소자.

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