Magnetotransports in Spin-Orbit Coupled Semiconductors

국문 초록 (Abstract)

디지털 기술과 소셜 네트워크 (SNS)의 급속한 발전으로 인해 현대 사회는 처리해야 할 정보와 데이터의 홍수 현상에 직면하였다. 한편, 자율주행, 가상현실 (VR), 증강현실 (AR), 인공지능 (AI), 사물인터넷 (IoT) 등과 4차 산업혁명이라는 새로운 디지털 산업 기술의 출현으로 더 빠르고 효율적인 데이터 저장 및 처리 장치의 필요성은 증가하고 있다. 이러한 세태에 발맞춰, 각종 정보처리 장치들은 초소형, 초전력, 초고속화를 향해 진화하고 있다. 그러나, 제조 기술은 실리콘 기반의 상보성 금속산화막 반도체 (CMOS) 소자의 크기를 줄이는 데 한계에 봉착하였다. 더욱이, 고집적 회로에서 막대한 전력 소비와 작동 속도의 정체가 CMOS 기반 연산의 또 다른 심각한 문제로 떠오르고 있다. 이러한 현행 정보기술의 물리적 한계와 문제점은 CMOS를 넘어 정보 처리 기술의 새로운 패러다임의 요구에 직면했다.
CMOS 외의 대안 중에서도 스핀트로닉스 (기존의 전자의 전하를 이용한 정보 처리 과정에 전자의 스핀을 도입한 새로운 기술)는 기존의 실리콘 기반 메모리 및 논리 장치를 대체하는 차세대 정보 기술의 대표적인 후보군이다. 스핀트로닉스에서는 스핀 전자의 “up” 과 “down”을 이진법으로 사용한다. 이러한 스핀 또는 자성 물질의 사용은 다른 정보 기술보다 강력한 비휘발성, 우수한 열 안정성, 초고속 작동 및 저전력 소비의 특징을 보인다. 지난 수십 년 동안 거대 자기 저항 (GMR), 자기 터널 저항 (TMR), 스핀 토크 전가 (STT)와 같은 획기적인 돌파구로 인해 주요 발전이 이루어졌다. 그 결과 최근에는 스핀트로닉스 기반의 자기 저항 메모리 (MRAM)는 임베디드 메모리로서 시장에서 그 자리를 차지하고 있다. 그러나, 여전히 쓰기 과정에서의 큰 전류 밀도가 필요한 점은 심각한 문제로 남아있다. 자화 스위칭 (쓰기 과정)을 위해 소비되는 전류가 크면, 메모리 장치를 구동하기 위한 전력 소비가 증가하고, 구동 회로를 구성하는 것이 어렵다. 따라서, 스핀 궤도 상호작용 (spin−orbit coupling)이 있는 시스템의 효과적인 스핀 전류 변환 및 조작에 대한 연구가 필요하다. 또한, 장기적으로 스핀의 특성에서 오는 비휘발성 및 재설정 가능한 특징을 적용하여 논리 연산과 메모리 역할을 결합한 차세대 능동 장치로 발전시키는 연구도 병행되어야 한다.
본 논문에서는 네 가지 연구 주제를 다룬다. 먼저, 화합물 반도체 InAs에서 스핀 전류의 주입 및 조작에 관한 연구가 제시된다. 비자성 금속에서의 스핀 홀 효과 (spin Hall effect)에 의해 순수 스핀 전류가 InAs로 주입되며, InAs 채널로 주입된 스핀 전류는 외부 자기장과 gate 전압으로 소자의 Rashba 스핀 궤도 상호작용 (spin−orbit coupling)을 조절하여 수송 상태를 제어하였다. 또한, 스핀 신호의 검증은 Rashba 및 Zeeman 효과에서 비롯된 스핀 세차 운동의 명확한 이해를 포함한다.
논문의 두 번째 부분에서, 강유전체 벌크 Rashba 반도체로 분류되는 GeTe를 이용하여 SOT-MRAM의 기본 작동 구조인 일반 금속/자성 금속 구조에서 second harmonic 측정 spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) 측정법을 통해 spin-torque의 크기를 밝혀냈다. Field-like torque (BFL/J)는 +12.0 mT/(107 A cm-2)로 추정되며, 이는 전형적인 중금속에서의 결과보다 몇 배 더 크다. 또한, 일반적으로 spin-torque는 자성층의 두께에 반비례하는데, GeTe는 자성층의 두께 의존성이 약하다는 흥미로운 사실을 확인했다. 이는 계면 효과 또한 스핀 전류원 임을 시사한다.
그뿐만 아니라 연구를 저차원 나노소재를 이용한 자기 수송 특성으로 확장하여, 이차원 층상 물질 WTe2의 Shubnikov-de Haas oscillation 분석을 통해 유효 질량을 구했다. 마지막으로, InAs 나노선의 avalanche 효과를 자기장을 통해 제어하여 자기 스위치 소자를 개발하였고, 이 특성을 이용하여 저장 장치와 논리 소자가 합쳐진 차세대 비휘발성 논리소자로서의 가능성을 보여주었다.
이러한 연구는 현 산업계에서 요구하는 차세대 반도체 소자 연구의 연장선이며, 앞서 언급한 문제들을 극복하는 것과 관련된 결과들을 보여주었다. 스핀 궤도 상호작용을 이용한 반도체 장치는 향후 전자공학 발전에 이바지할 것이다. 특히, 종래의 CPU와 메모리를 발전시키기 위한 새로운 방향을 제시 할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In line with the rapid development of digital technologies and social networks, the amount of information and data to process is rapidly increasing in modern society. Meanwhile, the advent of new digital industrial technologies called industry 4.0, e.g., the autonomous driving, virtual reality (VR), augmented reality (AR), and the internet of things (IoT), has brought up ever increased demand for faster and more efficient data storage and processing devices. In this regard, information processing devices are evolving toward ultra-small, ultra-low power, and high-speed. However, manufacturing technology is facing fundamental limits of silicon-based complementary metal oxide semiconductor (COMS) scaling. Furthermore, huge power consumption in highly integrated circuits and the stagnation in operation speed are emerging as another severe issue of modern CMOS-based computation. Such physical limitations and issues the incumbent information technology faces cell for a new paradigm for information processing beyond CMOS.
Among alternatives beyond-CMOS, spintronics – a new technology employing electronics spin for information processing in addition to electron charge as in conventional electronics – is considered as a serious contender for the next-generation information technology to replace conventional silicon-based memory and logic devices. Spintronics utilize spin electrons being either “up” or “down” as binary bits. The use of spin or magnetic materials provides features of non-volatility, excellent thermal stability, ultrafast operation, and low power consumption robust than other kinds of information technologies. For the last decades, key advances have been made owing to remarkable breakthroughs such as Giant magnetoresistance (GMR), tunneling magnetoresistance (TMR), and spin-transfer torque (STT). Recently magnetic random access memory (MRAM) based on spintronics has taken its place on the market as embedded memory. However, a severe issue that is the large current density for writing remains to be solved. If the magnitude of the current consumed for magnetization switching (writing process) is large, an increase in power consumption to drive memory device is caused and it is difficult to configure a driving circuit in a memory device. Therefore, researches on the effective charge to spin conversion and manipulation of systems with spin−orbit coupling are required. Furthermore, in the long term, through the application of spin properties such as non-volatility and configurability, research to develop into an active device that combines the role of computation and memory should also be conducted in parallel.
In this dissertation, four different research subjects are covered. First, studies on the injection and manipulation of spin currents in compound semiconductors of InAs are presented. The injection of the pure spin currents into the InAs is demonstrated using the spin Hall effect in non-magnetic metals, and the manipulation of its flow in the InAs channel is succeeded through tailored Rashba-type spin-orbit coupling by means of external magnetic fields and gate voltages. Furthermore, the verification of the spin signal includes a definite understanding of the spin precession originating from the Rashba and Zeeman effect.
In the second part of the dissertation, a ferroelectric bulk Rashba semiconductor, GeTe, revealed the scale of spin-torque by using second harmonic measurement and spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurement by using a normal metal (NM)/ferromagnet (FM) bilayer structure, which is the basic operating structure of SOT-MRAM. As a result, an estimated field-like toque (BFL/J) is +12.0 mT/(107 A cm-2), which is many times larger than a typical heavy metal. Furthermore, in general, spin-torque is inversely proportional to the thickness of the FM layer, whereas a GeTe confirmed the interesting fact that the thickness dependence of the FM layer is weak. This suggests that the interfacial effect is also a spin current source.
To extend the research to advanced nanomaterial, two-dimensional layered material and nanowire were introduced into the study. The effective mass of a WTe2, two-dimensional transition metal dichalcogenide, was determined by the temperature dependence of the Shubnikov-de Haas oscillation analysis. Finally, we developed the magnetic switch device that controls the avalanche effect of InAs nanowire by the external magnetic field and its feature shows the possibility as a next-generation non-volatile logic device that combines storage and a logic function.
Our studies were an extension of the next-generation semiconductor device research required by the current industry, and have shown the results related to overcoming the aforementioned problems. Spin−orbit coupled semiconductor devices will contribute to improving electronics in the future. In particular, it is expected to be able to provide a new direction to advance the conventional CPU and memory device.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 17
• 1. Spinorbit coupling 17
• 2. Motivation and thesis outline 20
• Reference 21
• Chapter 2. Theoretical background 23
• 1. SpinOrbit coupling related phenomena 23
• 1.1 The Rashba effect 23
• 1.2 The spin Hall effect 24
• 1.3 Spinorbit torque effect 27
• 2. Magnetotransport phenomena 28
• 2.1 Magnetoresistance 28
• 2.2 Hall effects 30
• Reference 31
• Chapter 3. Spin manipulation : spin-polarized transport 33
• 1. Introduction and motivation 33
• 2. Theoretical background 34
• 2.1 Two-dimensional electron gas (2DEG) 34
• 2.2 Spin transport in Rashba spin precession model 35
• 3. Experiment and discussion 38
• 3.1 Rashba spinorbit coupling in an InAs quantum well 38
• 3.1.1 InAs quantum well structure and energy band diagram 38
• 3.1.2 Manipulation of Rashba spinorbit coupling by gate bias 40
• 3.1.3 Band engineering of InAs quantum well 42
• 3.2 Spin injection and detection 45
• 3.2.1 Device overview 45
• 3.2.2 Observation of oscillatory Hall voltage 47
• 3.2.3 Evidence of spin injection by channel length dependence 50
• 3.2.4 Gate voltage driven spin precession angle control and comparison of estimated Rashba parameter 51
• 4. Conclusion 53
• Reference 54
• Chapter 4. Spin manipulation : magnetization dynamics 57
• 1. Introductions and motivation 57
• 2. Theoretical background 59
• 2.1 2nd Harmonic measurement 59
• 2.2 Spin-torque ferromagnetic resonance measurement 62
• 3. Experiment and discussion 65
• 3.1 Materials properties of germanium telluride 65
• 3.1.1 Structural characteristics of epitaxial GeTe film 65
• 3.1.2 Ferroelectric characteristics 69
• 3.1.3 Electric properties 70
• 3.1.4 Weak anti localization 71
• 3.2 Device overveiw 73
• 3.3 Angle scan harmonics signal in GeTe/NiFe bilayer 73
• 3.3.1 Field-like torque analysis 76
• 3.3.2 Damping-like torque and Thermally driven signal anaylsis 81
• 3.4 Spin-torque ferromagnetic resonance of GeTe/CoFeB structure 82
• 4. Conclusion 86
• Reference 89
• Chapter 5. Advanced materials : New-approach based on spinorbit coupling 92
• 1. Introductions and motivation 92
• 2. Theoretical background 93
• 2.1 Avalanche effect 93
• 2.2 Extracting the effective mass from Shubnikov-de Hass oscillation analysis 95
• 3. Experiment and discussion 97
• 3.1 Layered transition-metal dichalcogenide, WTe2 97
• 3.1.1 Device overveiw 97
• 3.1.2 Electric and magnetotransport 98
• 3.1.3 Electrical observation of effective mass 101
• 3.2 InAs nanowire 103
• 3.2.1 Structural characterization of InAs nanowire 104
• 3.2.2 Device overview 105
• 3.2.3 Carrier generation by avalanche effect 107
• 3.2.4 Asymmetry magnetoconductance 110
• 3.2.5 Potential of reprogrammable logic circuit 113
• 4. Conclusion 115
• Reference 116
• Abstract in Korea 120