Magnetoelectric devices on low dimensional semiconductor structures for advanced logic application
- 주제(키워드) Magnetoelectric device , spintronics , non-magnetic semiconductor , impact ionization , magneto-logic , nanowire
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 홍진기
- 발행년도 2016
- 학위수여년월 2016. 2
- 학위구분 박사
- 학과 대학원 응용물리학과
- 세부전공 디스플레이·반도체소자전공
- 원문페이지 143 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000065789
- 본문언어 영어
- 제출원본 000045867341
초록/요약
Recently, new type of transistor has been proposed in which electric switching function is manipulated by magnetism instead of electricity. Non-volatile reconfigurable processor is a logic device based on this magnetic switch, promising zero quiescent power and novel functions such as programmable logic operation and non-volatile built-in memory. We investigate transport mechanism of these devices by the use of experimental and theoretical method. The characteristic feature of our devices comes from field dependent carrier generation and recombination in the non-magnetic semiconductor. The recombination process is highly dependent on the angle between the field direction and sample plane, and it also dependent on field polarity. The carrier recombination process is a core mechanism of the diode characteristics of our devices, which is maximized when the magnetic field is parallel to the sample plane. Thus, the present device can be considered as an electrical switch whose ON/OFF performance is controlled by both the polarity and the magnitude of magnetic field. In circuits composed of these switches, logical operations are programmed dynamically by magnetic signals, showing magnetic-field-controlled semiconductor reconfigurable logic at room temperature. Semiconductor nanowires are promising blocks in the “bottom-up” approach to the future magnetoelectric devices on low dimensional semiconductor structures. Magnetoelectric devise using low dimensional semiconductor opens up possibility to create an alternative and energy-efficient technology combining magnetic properties and semiconductor characteristics. Magnetoelectric device using semiconductor nanowires have been greatly developed and become one of most attractive materials. In this thesis, we approach the field of semiconductor magnetoelectric device for spintronics as an alternative concept from the semiconductor nanowires as nano-scale tools. Owing to their reduced scale, single crystalline, clean surface, and low dimensional confinement, the nanowires provide an outstanding platform to study spin and electron -based low scale devices. In addition, the nanowires provide an excellent opportunity to study the role of the dimensionality and size in the channel of semiconductor magnetoelectric device. Keywords: Magnetoelectric device, Logic device, Spintronics, Non-magnetic semiconductor, Nanowires, Impact ionization, Magneto-resistance
more초록/요약
최근 수십 년간 트랜지스터 집적기술의 발달로 컴퓨터의 연산 능력은 괄목할 만한 성장을 거듭해 왔다. 그러나 ITRS 로드맵에 의하면, 이러한 실리콘 집적기술에 기초한 발전은 수 년 내에 심각한 물리적 한계에 도달한다고 보고하고 있으며, 이에 대한 대안으로 스핀트로닉 연산, 단전자 트랜지스터(SET), molecular electronic RTD, 나노 CMOS 등에 대한 연구가 진행되고 있는 상태이다. 특히, 휴대전화 등에서 요구되는 영상처리 기기에서는 병렬연산, 논리 기능과 메모리 사이의 보다 빠른 상호작용, 재설정 가능한 논리 기능이 요구되고 있으며, 이러한 요구는 일반적인 컴퓨터로 확장될 것이다. 컴퓨터의 CPU는 트랜지스터 기술을 기반으로 한 개의 반도체 칩에 제작된 디지털 엔진이다. 기존의 CMOS로 이루어진 디지털 회로는 크게 조합논리 (combinational logic) 회로와 순차논리 (sequential logic) 회로의 두 가지 종류로 나누어지는데, 조합논리 회로는 NAND, NOR, XOR등의 논리 연산자를 조합하여 구성한 것으로 인가된 입력에 대해 즉시 연산 결과를 출력하고, 순차논리 회로는 래치나 레지스터와 같이 중간결과를 저장할 수 있는 저장소를 두어 순서에 따라 차례차례 일을 하여 최종결과를 출력한다. 기존의 상보성금속산화물반도체 (CMOS)논리 회로에서는, 조합논리 회로만으로 불가능한 보다 복잡한 논리 회로를 구현하기 위하여, 조합논리회로의 결과 정보를 순차논리 회로에 저장하는 방식을 사용하여, 현재의 입력뿐만 아니라 현재의 출력에 의해서도 다음 단의 출력을 결정하는 회로를 구성하여 왔다. 근래에 들어 정보 저장 소자로 사용되어 오던 Magneto-resistive Random Access Memory (MRAM) 소자를 논리 회로 구현에 이용함으로써, 기존의 트랜지스터로 구현되어 오던 CMOS 논리 회로를 대체할 자기논리 (magneto-logic) 회로에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 HgCdTe와 GaAs를 이용하여 저온에서 자기장에 의해 전기적 스위칭 기능을 하는 반도에 pn접합 기반 소자를 제작하였으며 magnetoelectric 소자로서의 성능을 실험적으로 확인하였다. 또한 InSb 반도체를 사용하여 상온에서도 동작 할 수 있는 magnetoelectric 효과를 이용한 magneto-logic 소자를 제작 하였다. 본 연구에서는 HgCdTe, GaAs 및 InSb기반의 소자에서 저항상태의 스위칭효과에 대하여 연구하였다. 제작된 소자는 저온에서 1000배 이상의 저항의 변화를 상온에서도 수십 배의 저항변화를 보인다. 특히 자기장에 의해서뿐만 아니라 전기장에 의해서도 이러한 스위칭현상을 나타나다. 이러한 소자는 문턱 자기장에서 전류가 급작스럽게 변화하며, 문턱 자기장은 바이어스 전압에 의해 결정됨을 알 수 있다. 따라서 본 소자의 전류 전도 상태는 높은 저항 상태와 낮은 저항 상태가 있는데, 이들 사이를 자기장에 의해서 전환가능 하다. 이러한 스위칭 효과는 p형 영역을 지나는 전자가 강한 전기장에 의해 avalanche 과정을 겪으면서 일어나는 것이고, 인가된 자기장은 이러한 avalanche 과정을 억제하는 역할을 하게 된다. 즉, 자기장의 세기에 의해 스위칭을 일으키는 avalanche 과정이 조절되는 것이 본 소자의 메카니즘이다. 기존 연구의 가장 큰 공통된 문제점은 단위 논리 소자의 on/off 신호비가 기껏해야 수 배 정도 밖에 안 되어 어레이형 논리 소자를 구성할 수 없었는데, 본 연구팀에서 개발한 스위칭 소자는 전도상태와 비전도 상태 사이의 저항의 차이가 1000배 이상이어서 기존 자기논리소자의 문제점을 혁신적으로 극복 할 수 있다. 또한 본 연구에서는 큰 차원을 가지는 반도체뿐만 아니라 저차원 반도체 물질인 나노선을 이용하여 자기장 크기에 따라서 스위칭 가능한 소자를 제작하였다. 또한 bulk 반도체에서 보였던 자기장에 의한 스위칭 효과 보다 더 큰 효과를 확인 하였다. 이러한 나노선을 이용한 소자를 이용함으로써 차세대 자기논리소자에 가능성을 보여주었다. 이러한 자기논리소자는 기존의 전기장 인가형 논리게이트에 반하여 본 연구가 제안하는 자기장 인가형 소자는 전원을 제거하여도 바이어스가 그대로 남아 있는 획기적인 소자로서 향후 전자공학의 발전에 한 획을 긋는 연구가 될 것이다. 논리작동 외에 전원이 필요 없는 비휘발성을 가지고 있어 기존 컴퓨터 CPU와 메모리를 대체할 수 있고 휴대형 전자 부품 분야에 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
more목차
Contents 1
List of figures 6
Abstract 16
Chapter 1. Introduction to magnetoelectric device
1. Low dimensional semiconductor: nanowires 18
2. Magnetoelectric devices and spintronics 21
3. Motivation and thesis outline 24
Reference 25
Chapter 2. Magneto-logic devices based on bulk and film materials
1. Introduction and motivation 27
2. Theoretical back ground – a review
2.1 Impact ionization (Avalanche effect) 28
2.2 Space charge effect 33
2.3 Generation and recombination 35
3. Experimental and Discussion
3.1 Devices based on bulk materials: HgCdTe and GaAs 36
3.1.1 Device overview 36
3.1.2 Electrical switching by magnetic field 39
3.1.3 Electrical properties for HgCdTe and GaAs
at low temperature 41
3.1.4 Theory for HgCdTe and GaAs at low temperature 44
3.2 Devices based on a film-type material, InSb, and advanced logic operation 48
3.2.1 Device overview 48
3.2.2 Magnetoconductance tunable by external voltage
with impact ionization effect 50
3.2.3 Carrier generation by impact ionization 53
3.2.4 Recombination process using photo-conductivity
measurement 57
3.2.5 Transport mechanism of avalanche magneto diode 60
3.2.6 Verification of the theoretical model by two measurement
setups 63
3.2.7 Comparison of experimental data and theoretical results 67
3.2.8 Programmable functionality by magnetic field in the
magnetoelectric device of InSb semiconductor 70
4. Conclusion 75
Reference 77
Chapter 3. Low-dimensional semiconductor structures
1. Introduction and motivation 80
2. Theoretical background of electrical transport in nanostructure
– a review
2.1 Electrical contact to low dimensional nanostructures 81
2.2 Band alignment and band bending 83
2.3 Charge injection 86
2.4 Electrical transport properties of nanowires 88
2.4.1 Doping profile in nanowires 88
2.4.2 I-V characterization of nanowires 92
2.4.3 Magnetoresistance 93
3. Experimental and discussion
3.1 Structural characterization of Si nanowire 95
3.2 Structural characterization of InAs nanowire 97
3.3 Carrier multiplication process by impact ionization in Si ribbon 98
3.3.1 Formation of nickel silicide for Schottky contact
in Si ribbon 98
3.3.2 Electrical properties in Si nanowire and ribbon 102
3.3.3 Electrical properties in InAs nanowire 106
3.3.4 Magnetoconductance by impact ionization
in InAs nanowire 109
3.3.5 Magnetoelectric device based on InAs nanowire
for advanced logic operation 112
4. Conclusion 116
Reference 117
Chapter 4. Magnetoelectric device based on the low-dimensional
oxide structure
1. Introduction and motivation 121
2. Theoretical background – a review
2.1 Rashba effect 122
2.2 Complex oxide interfaces 124
3. Experimental and discussion
3.1 Structural characterization of oxide interfaces 126
3.2 Conductance change at the LaAlO3/SrTiO3 interface 128
3.2.1 Magneto-conductance at the oxide interface 128
3.2.2 Temperature dependence of the magneto-conductance 131
3.2.3 Calculation of the low-dimensional properties 133
4. Conclusion 135
Reference 136
Abstract in Korea 138
