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      InAS/InGaAs 이차원 전자개스 채널을 이용한 스핀분극된 전자 수송 특성 = Spin Polarized Electron Transport in 2DEG channel of InAs/InGaAs system

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      https://www.riss.kr/link?id=T11553682

      • 저자
      • 발행사항

        서울 : 한양대학교 대학원, 2009

      • 학위논문사항

        학위논문(석사) -- 한양대학교 대학원 , 물리학과 , 2009. 2

      • 발행연도

        2009

      • 작성언어

        영어

      • 주제어
      • 발행국(도시)

        서울

      • 형태사항

        vi, 63 p. : 삽도 ; 26 cm.

      • 일반주기명

        지도교수: 김은규
        국문요지: p. 62-63.
        Abstract: p. i-ii.
        Reference : p.60-61.

      • 소장기관
        • 한양대학교 안산캠퍼스 소장기관정보
        • 한양대학교 중앙도서관 소장기관정보
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      다국어 초록 (Multilingual Abstract)

      The downscaling of semiconductor devices, because of increasing the operating speed and decreasing power consumption, has mainly been responsible for the progress of integrated circuit (ICs). However, it is predicted that semiconductor fabrication technology will reach the downscaling limit. Overcoming the downscaling limit requires a new paradigm in electronics. In the semiconductor electronics, electron charges play the key role while electron spin plays no role at all. An electronics based on the spin degrees of freedom of the electron represents a new paradigm, spin FET (field effect transistor) which will require a way of controlling electron spins in semiconductor channels by using the gate voltage. This structure was first elucidated by Datta and Das as the basic principle for the realization of a novel electronic device.
      In this paper, we described the injection device of spin FET that uses a semiconductor two dimensional electron gas (2DEG) channel. This device basically consists of two ferromagnetic films (Ni_(81)Fe_(19)) of spin injector and detector, 2DEG channel of InAs HEMT. Especially, we have investigated to a new fabrication method about the device structure that is flatness of the shape of spin injector and detector on the channel by using vanadium material. Through this method, the spin injector and detector having nano-scaled length have shown to surprising effect of magnetic domains like single domain. For non-local geometry, △R of 4 mΩ is detected and for local spin valve geometry, magneto-resistance of 0.1 are obtained at T=10K. Due to sharp magnetic switching, the clear spin signal transition between parallel and anti-parallel alignment is observed. And, we have confirmed through theoretical calculation that the spin orbit interaction can be controlled by the gate voltage through our data of spin injection experiment, which is the important step towards the development of functional spin devices.
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      The downscaling of semiconductor devices, because of increasing the operating speed and decreasing power consumption, has mainly been responsible for the progress of integrated circuit (ICs). However, it is predicted that semiconductor fabrication tec...

      The downscaling of semiconductor devices, because of increasing the operating speed and decreasing power consumption, has mainly been responsible for the progress of integrated circuit (ICs). However, it is predicted that semiconductor fabrication technology will reach the downscaling limit. Overcoming the downscaling limit requires a new paradigm in electronics. In the semiconductor electronics, electron charges play the key role while electron spin plays no role at all. An electronics based on the spin degrees of freedom of the electron represents a new paradigm, spin FET (field effect transistor) which will require a way of controlling electron spins in semiconductor channels by using the gate voltage. This structure was first elucidated by Datta and Das as the basic principle for the realization of a novel electronic device.
      In this paper, we described the injection device of spin FET that uses a semiconductor two dimensional electron gas (2DEG) channel. This device basically consists of two ferromagnetic films (Ni_(81)Fe_(19)) of spin injector and detector, 2DEG channel of InAs HEMT. Especially, we have investigated to a new fabrication method about the device structure that is flatness of the shape of spin injector and detector on the channel by using vanadium material. Through this method, the spin injector and detector having nano-scaled length have shown to surprising effect of magnetic domains like single domain. For non-local geometry, △R of 4 mΩ is detected and for local spin valve geometry, magneto-resistance of 0.1 are obtained at T=10K. Due to sharp magnetic switching, the clear spin signal transition between parallel and anti-parallel alignment is observed. And, we have confirmed through theoretical calculation that the spin orbit interaction can be controlled by the gate voltage through our data of spin injection experiment, which is the important step towards the development of functional spin devices.

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      국문 초록 (Abstract)

      반도체 소자는 외부 전기장으로부터 쉽게 채널에서의 전류의 흐름을 조정 할 수 있는 특징이 있다. 반도체 소자의 크기(dimension)를 줄임으로써, 소자는 동작속도의 증가와 동작 전력이 낮아지며, 이것은 방대한 양의 정보를 효율적으로 처리하기 위한 집적소자(ICs, integrated circuits)의 진보에 필수 요소이다. 그러나 반도체 공정 기술의 한계로 인해 소자의 크기를 줄이는 것은 어려움에 봉착되고 있고, 현재는 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 패러다임이 필요한 시점이다. 기존의 반도체 소자에서는 전자의 스핀보다는 전하가 소자의 동작에 주된 영향을 주었다. 그러나, 전하와 스핀을 동시에 이용한 스핀전자 소자의 제안으로 인해 이것을 응용한 새로운 연구들이 진행되고 있으며 강자성체에서 주입 된 전자 스핀이 반도체 채널에서 세차운동 (Rashba precession) 을 통해 동작을 제어하는 스핀 트랜지스터 (spin field effect transistor) 는 대표적인 응용 소자이다.
      이 논문에서는 반도체의 응용 기술 중 하나인 이차원 전자 가스층을 이용하여 전자의 스핀으로 동작하는 spin FET 의 스핀 주입 소자를 전기적인 방법으로 기술하였다. 이런 소자는 반도체 채널 사이에서 스핀의 주입과 검출을 하기 위한 두 개의 강자성 박막(Ni_(81)Fe_(19)) 과 InAs HEMT (high electron mobility transistor) 채널로 구성되어 있으며, 바나듐 (vanadium)을 이용하여 나노 크기의 스핀 밸브 소자의 제작을 위한 새로운 공정방법을 제시하였다. 이 방법은, 채널 위에 형성되어 있는 스핀주입과 검출을 위한 강자성 박막이 단자구 (single domain)와 같은 자성 특성을 갖도록 제작 되었고, 강자성 박막들이 평행과 반 평행 상태에서 깨끗한 전기적인 스핀 신호를 확인 할 수 있었다. 스핀의 검출은 T=10K 에서 비 국소적 구조 (non-local geometry)의 측정 방법으로 4mΩ 의 △R을, 국소적 스핀 밸브 구조(local spin valve geometry)에서 0.1 %의 자기저항 (magneto-resistance)을 관측하였다. 이러한 전기적인 스핀 주입 실험으로 얻은 자료를 통하여 스핀과 궤도간의 상호작용을 게이트 전압을 이용해 제어하는 것을 이론적인 계산을 통해 함께 기술하였다. 앞서서 언급한 스핀의 주입과 검출뿐만 아니라 스핀과 궤도간의 상호작용을 제어하는 기술은 기능성 스핀 소자의 개발에 중요한 단계라고 할 수 있다.
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      반도체 소자는 외부 전기장으로부터 쉽게 채널에서의 전류의 흐름을 조정 할 수 있는 특징이 있다. 반도체 소자의 크기(dimension)를 줄임으로써, 소자는 동작속도의 증가와 동작 전력이 낮아...

      반도체 소자는 외부 전기장으로부터 쉽게 채널에서의 전류의 흐름을 조정 할 수 있는 특징이 있다. 반도체 소자의 크기(dimension)를 줄임으로써, 소자는 동작속도의 증가와 동작 전력이 낮아지며, 이것은 방대한 양의 정보를 효율적으로 처리하기 위한 집적소자(ICs, integrated circuits)의 진보에 필수 요소이다. 그러나 반도체 공정 기술의 한계로 인해 소자의 크기를 줄이는 것은 어려움에 봉착되고 있고, 현재는 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 패러다임이 필요한 시점이다. 기존의 반도체 소자에서는 전자의 스핀보다는 전하가 소자의 동작에 주된 영향을 주었다. 그러나, 전하와 스핀을 동시에 이용한 스핀전자 소자의 제안으로 인해 이것을 응용한 새로운 연구들이 진행되고 있으며 강자성체에서 주입 된 전자 스핀이 반도체 채널에서 세차운동 (Rashba precession) 을 통해 동작을 제어하는 스핀 트랜지스터 (spin field effect transistor) 는 대표적인 응용 소자이다.
      이 논문에서는 반도체의 응용 기술 중 하나인 이차원 전자 가스층을 이용하여 전자의 스핀으로 동작하는 spin FET 의 스핀 주입 소자를 전기적인 방법으로 기술하였다. 이런 소자는 반도체 채널 사이에서 스핀의 주입과 검출을 하기 위한 두 개의 강자성 박막(Ni_(81)Fe_(19)) 과 InAs HEMT (high electron mobility transistor) 채널로 구성되어 있으며, 바나듐 (vanadium)을 이용하여 나노 크기의 스핀 밸브 소자의 제작을 위한 새로운 공정방법을 제시하였다. 이 방법은, 채널 위에 형성되어 있는 스핀주입과 검출을 위한 강자성 박막이 단자구 (single domain)와 같은 자성 특성을 갖도록 제작 되었고, 강자성 박막들이 평행과 반 평행 상태에서 깨끗한 전기적인 스핀 신호를 확인 할 수 있었다. 스핀의 검출은 T=10K 에서 비 국소적 구조 (non-local geometry)의 측정 방법으로 4mΩ 의 △R을, 국소적 스핀 밸브 구조(local spin valve geometry)에서 0.1 %의 자기저항 (magneto-resistance)을 관측하였다. 이러한 전기적인 스핀 주입 실험으로 얻은 자료를 통하여 스핀과 궤도간의 상호작용을 게이트 전압을 이용해 제어하는 것을 이론적인 계산을 통해 함께 기술하였다. 앞서서 언급한 스핀의 주입과 검출뿐만 아니라 스핀과 궤도간의 상호작용을 제어하는 기술은 기능성 스핀 소자의 개발에 중요한 단계라고 할 수 있다.

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      목차 (Table of Contents)

      • Ⅰ. Introduction = 1
      • 1. Spintronics = 1
      • 1.1 charge versus spin = 1
      • 1.2 What is spintronics? = 2
      • 2. Introduction to modulation of spin field effect = 3
      • Ⅰ. Introduction = 1
      • 1. Spintronics = 1
      • 1.1 charge versus spin = 1
      • 1.2 What is spintronics? = 2
      • 2. Introduction to modulation of spin field effect = 3
      • Ⅱ. Theoretical background concerning modulation of spin FET = 6
      • 1. Stoner magnetism = 6
      • 2. Fundamental concept in describing spin polarized transport = 11
      • 2.1 Theoretical model (spin diffusion theory) = 11
      • 2.2 Boundary problem of spin injection in bi-layer (conductivity mismatch problem) = 17
      • 3. Theoretical analysis of spin precession in 2DEG (Rashba effect) = 24
      • Ⅲ. Experiment = 36
      • 1. Inverted HEMT structure with InAs 2DEG = 36
      • 2. Fabrication process of spin FET = 39
      • 2.1 Cleaning = 39
      • 2.2 MESA = 40
      • 2.3 Ohmic contact = 41
      • 2.4 Electrode = 41
      • 2.5 Ferromagnetic film patterning = 44
      • 2.6 Flatness method by using vanadium hard mask = 44
      • 2.7 Inner pad = 46
      • 2.8 Structure of completed Device = 46
      • 3. Measurement = 48
      • 3.1 I-V characterization = 48
      • 3.2 AMR (Anisotropic Magneto Resistance) = 48
      • 3.3 Non-local and local measurement = 52
      • 3.4 Calculation of Rashba precession = 55
      • Ⅳ. Conclusion = 59
      • Reference = 60
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