Since L. Datta and B. Dass proposed a spinelectronic analog of the electro-optic light modulator. This opens the way to a new field in magnetism, spintronics. The ferromagnetic material/semiconductor is a representative system in spintronics and the growth of ferromagnetic films on semiconductors offers the opportunity for many new technological applications such as magnetic tunnel junction and spin valve transistor etc.
In this study, we report the experimental observation of Co growth morphology on InP (2x4) reconstruction surface. Experiments are mainly divided into two processes. First, we make a flat InP (2x4) reconstruction surface. Second, we observe the growth morphology of Co on InP (2x4) reconstruction surface by in-situ STM measurements
In order to make InP reconstruction surface, we use IBA(Ion bombardment and annealing) method. We can obtain InP (2x4) reconstruction surface by sputterig the sample at the pressure of 2x$10^{-7}$ Torr for 5 minutes, and anneling at 400°C for 30 minutes over 10 times repeatedly. We confirmed these results by RHEED and STM measurements.
As the next stage, we grow Co films on InP (2x4) reconstruction surface at room temperature and below 1x$10^{-10}$ Torr. We can observe four distinguishable regions with different growth morphology. At first region I (0 ML ~ 1 ML), Co deposits on row of InP (2x4) surface and grows along row direction ([1$\overline{1}$o]). At second region II (1 ML ~ 6 ML), the size of Co island becomes larger than that of 1 ML Co island. At third region III ( 6 ML ~ 13 ML), the roughness of Co island increases abruptly and forth region IV ( 13 ML ~ ), Co growth morphology changes from island growth to continuous film growth.
최근 들어 magnetism에서 새롭게 연구되고 있는 분야가 spintronics이다. Spintronics란 기존의 electronic system과 spin system이 결합된 분야로, magnetic storage, MRAM, MTJ 등 많은 곳에 응용되고 있다. 이러한 spintronics의 가장 대표적이 것이 semiconductor와 ferromagnetic material이 결합된 system이다. 이러한 반도체 중, InP는 III-V족 반도체의 성질인 high carrier mobility, direct bandgap 구조를 가지고, 굴절률이 크다는 장점때문에 optical device나 integrated device 등에 많이 쓰이게 되면서 Ge, Si, GaAs 에 이어 반도체에 있어 제 4의 물결로 각광 받고 있다. 본 연구에서는 InP 위에 Co를 증착한 뒤에 이를 in-situ STM 측정을 통해서 Co의 성장 특성을 연구하였다.
InP 위에 Co를 증착할 때, 선행되어야 하는 것이 InP의 flat reconstruction surface를 만드는 것이다. 특히, 우리의 실험의 경우에서는 Co의 epitaxial growth를 위해서 이러한 과정이 중요하다. Flat surface를 만들기 위해 InP기판을 가열하는 경우, 필연적으로 surface reconstruction이 나타나는데, 우리는 몇 가지 reconstruction 중 InP (2x4) reconstruction을 선택해서 sputtering과 annealing의 방법을 사용해 얻을 수 있었다. 결과적으로 우리는 2 x$10^{-7}$ Torr 의 압력에서의 $Ar^+$ sputtering 을 5분간 하고 400°C에서의 annealing을 30분간 하는 과정을 10번 이상을 반복적으로 수행하여 (2x4) reconstruction surface를 형성할 수 있었다.
다음으로 이러한 InP (2x4) surface 위에 Co를 증착하면서, STM 측정을 통해 Co의 성장 특성을 관찰하였다. 그 결과, Co의 두께에 따라 성장 특성이 서로 다른 네부분의 영역이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Co가 InP (2x4) surface 의 row위에 island 형태로 증착이 되어서 row의 방향을 따라서 성장하는 영역 (0 ML ~ 1 ML), Co의 island 의 크기가 평면상에서 커지는 영역 (1 ML ~ 6 ML), secondary nucleation에 의해서 Co의 island 의 높이가 더 높아져서 roughness가 갑자기 증가하는 영역 (6 ML ~ 13 ML), coalescence 에 의해서 Co growth morphology 가 island growth에서 continuous film growth로 변화가 생기는 영역 (13 ML ~ )이다. 또한 Co를 InP (2x4) surface 에 쌓으면서 In-plane MOKE를 측정한 결과, 약 15 ML에서 보자력이 갑자기 커지는 현상을 볼 수 있었다. 그 이유는 Co island 의 크기가 어떤 크기 이하가 되면 단자구를 형성하는 것이 자구벽을 형성할때보다 더 안정하게 되고, 이 부분에서는 island의 크기가 커질수록 보자력이 커지게 된다.
이 연구를 통해 InP (2x4) surface를 만드는 조건을 찾아내었다. 그리고 Co가 InP (2x4) surface위에 초기에 쌓이는 모양을 확인해보았고, Co를 두껍게 쌓으면서 Co의 성장형태가 13 ML에서 변화한다는 사실을 알 수 있었고 이로 인해 MOKE data 에서 보자력이 갑자기 커지는 현상을 설명했다.
