Properties of FeMn, Ⅲ-Ⅴ and Ⅱ=Ⅳ-Ⅴ₂magnetic semiconductor thin films using by molecular beam epitaxy : MBE 법을 이용한 FeMn 합금과 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ=Ⅳ-Ⅴ₂족 자성반도체 박막특성

국문 초록 (Abstract)

현재의 반도체 기술의 한계가 1990년대 후반부터 대두되면서, 새로운 개념의 기술이 요구되었다. 그 중 스핀트로닉스(spintronics)는 이러한 목적으로 많은 연구자들에 의해 연구되었는데, 스핀트로닉스는 전자가 가지는 전하와 스핀 모두를 이용하여 기존의 반도체보다 향상된 특성을 보이고 있다. 특히, 자성반도체 분야는 기존의 반도체에 스핀의 정보를 주입함으로써, 스핀 편극된 현상에 의한 정보 전다 및 연산 속도를 향상시킬 수 있다. 그 중 II-IV-V_(2), IV족에 전이금속(transition metal)을 치환한 자성반도체는 강자성 현상이 상온이상에서 나타나 위의 목적에 부합하는 물질로 여겨진다. 본 연구에서 Mn이 치환된 ZnGeP_(2)와 ZnSnAs_(2) 두 물질의 구조적, 자기적, 전기적 특성을 연구하여 보고하였다. 또한, 전이금속이 치환된 Ge의 경우는 전기적 특성이 우수하여, 응용가치가 높은 물질 중 하나이다. 1970년 초반에 MBE(Molecular Beam Epitaxy) 장치가 J. R. Arthur 과 A.Y. Cho 고안된 이후로 과학 분야와 산업 분야에 놀라운 성과를 가지고 왔다. 그 후로 이 장치는 많은 발전을 거듭하면서, 지금의 모습을 갖추고 대량 생산까지 이르게 되었다. 트랜지스터, 다이오드 등 많은 소자의 개발을 가지고 왔고, 현대 문명화에 크게 이바지 하였다. 본 논문에서는 이 장치를 이용하여, 새로운 구조의 FeMn 합금, III-V족 반도체 물질을 제작하였다. FeMn 합금의 경우는, 기존에 알려진 Fe 구조의 합금의 형태가 아닌 α-Mn 구조의 새로운 형태의 FeMn 합금을 제작하여, 기존의 Fe 구조의 합금은 반강자성을 띠는 반면, α-Mn 구조의 새로운 형태의 FeMn 합금은 페리자성을 보임으로써, 그 응용가치를 크게 하였다. 또한, 주목할 점은 FeMn 합금의 구조 분석을 해냄으로써, 이 물질의 인위적인 조작을 가능케 하였다. GaSb/MnSb의 초격자를 제작하여, 이론적으로만 제기되었던, zinc-blende 구조를 가지게 하였다. 본 연구들을 통해서, 새로운 개념의 소자 개발과 향후 국가적 차원에서의 원천기술확보를 위한 작은 발걸음을 내딛게 되었고, 여러 산업 분야에 크게 기여 할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Contents = v
• List of Tables = ⅶ
• List of Figures = ⅷ
• Chapter 1. Introduction = 1
• Chapter 2. Theoretical Background = 3
• 2.1 Magnetism = 3
• 2-1-1 Ferromagnetism = 3
• 2-1-2 Antiferromagnetism = 7
• 2-1-3 Ferrimagnetism = 9
• 2-1-4 Spin-glass = 9
• 2-1-5 Paramagnetism = 10
• 2-2 DMS (Diluted Magnetic Semiconductor) = 11
• 2-2-1 Modes and Principles = 12
• 2-2-2 Zener model = 12
• 2-2-3 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) model = 15
• 2-2-4 Double exchange model = 16
• Chapter 3. Experimental Setup and Procedures = 19
• 3.1 MBE(molecular beam epitaxy) Growth = 19
• 3-1-1 Sources = 19
• 3-1-2 RHEED (reflection high-energy electron diffraction) = 28
• 3-1-3 Substrate Temperature Calibration = 29
• 3-1-4 Growth rate calibration = 29
• 3-1-5 Surfactant-mediated growth mode modification = 33
• 3.2 Bulk Crystal Growth = 34
• 3.3 Characterization = 38
• Chapter 4. Results and Discussion I (thin film) = 50
• 4-1 Ferrimagnetic Fe_(x)Mn_(1-x) thin films = 50
• 4-2 Epitaxial (Mn_(0.66)Cr_(0.33))2As and (Fe_(0.66)Mn_(0.33))_(2)As thin films: magnetic and structural properties = 64
• 4-3 GaSb/MnSb superlattices = 71
• Chapter 5. Results and Discussion II(Bulk single crystal) = 79
• 5-1 Room-temperature ferromagnetism in (Zn_(1-x)Mn_(x))GeP_(2) semiconductors = 79
• 5-2 Mn-doped ZnSnAs_(2) single crystals = 92
• 5-3 Ferromagnetism in Mn-doped Ge = 100
• 5-4 Ferromagnetism in Cr-doped Ge = 110
• Chapter 6. Conclusion = 119
• Reference = 120
• 요약 = 131