Ferromagnetic metal/semiconductor (FM/SC) heterostructures have attracted great interest because their novel magnetic and structural properties provide fundamental studies in magnetism and offer possibilities for spintronic applications. In FM/SC systems, it is significant to understand the physical and the chemical properties of the interface regions between the ferromagnetic metal and the semiconductor because these properties play critical roles in determining the characteristics of spintronic devices, such as the efficiency of spin injection through a FM/SC interface. In this thesis, the magnetic and the structural properties in the interface of Co/InP system have been investigated.
We have investigated magnetic properties of Co film deposited on InP(2×4) reconstructed surface using in situ surface magneto-optical Kerr effects (SMOKE) measurement system. InP(2×4) reconstructed surface, obtained by several cycles of ion bombardment and annealing (IBA) process, was confirmed by reflection high energy electron diffraction (RHEED) and scanning tunneling microscopy (STM) measurements. Co film grown on InP(2×4) reconstructed surface shows three distinguishable thickness regions which have different magnetic properties, depending on Co film thickness. In the Co film thickness region smaller than 14 $\AA$, no SMOKE signal was detected. In the thickness region between 16 $\AA$ and 30 $\AA$, both longitudinal and polar Kerr hysteresis loops were observed. In the film thickness larger than 32 $\AA$, only longitudinal SMOKE signal without polar signal was detected.
To understand the elastic properties of Co/InP, we have investigated the stress evolution of a Co/InP(001) by a highly sensitive optical deflection-detecting system in ultra high vacuum (UHV) chamber. Stress results are analyzed and discussed by correlating to the growth morphology by STM measurements and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). Abrupt compressive stress, which is shown at the initial stage of growth, might be due to the effect of the adsorption of Co on InP. Subsequent tensile stress is closely related to the formation of continuous film by coalescence of Co islands on InP as shown in STM images. In addition, it is observed from transmission electron microscopy images that the elongation of hcp Co along c-axis by lattice relaxation has an effect on tensile stress.
The effects of interface structures on the magnetic properties of the Co/InP hybrid system have been investigated by using in situ SMOKE, STM, and Auger electron spectroscopy (AES). InP(001) substrates with different surface characteristics were prepared by using cycles of IBA method while varying the annealing temperature from 400℃ to 450℃. The Co film begins to show a ferromagnetic hysteresis loop at a thickness of 2 nm of Co on the InP surface prepared at 400℃. However, the Co film deposited on the InP surface prepared at 450℃ shows no ferromagnetic signal up to a Co thickness of 16 nm. We observed from STM results that In droplets were produced when the InP substrate was annealed at temperatures higher than 400°C during the IBA processes. The AES depth profile shows that interdiffusion between Co and In increases as the density of In droplets increases. These In droplets strongly interact with Co atoms and play a crucial role in the onset thickness for ferromagnetism in Co films.
In addition we have studied the effects of Sb surfactant on the magnetic and the microstructural properties of ferromagnetic Co films grown on InP. Study of the in situ SMOKE revealed that a Co/Sb/InP system shows ferromagnetism onset at a Co thickness of 10 $\AA$, while a Co/InP system shows ferromagnetism onset at 16 $\AA$. In addition, the Co/Sb/InP shows a obvious magnetic easy axis along the $[1\overline{1} 0]$ direction of the InP, while the Co/InP does not show such a magnetic easy axis. Such differences in the magnetic properties between the two systems could be understood in terms of the enhancement of the crystallinity due to the Sb surfactant-mediated growth. HRTEM results showed the improvement of the crystallinity of the Co/InP by Sb surfactant.
자성체/반도체 시스템은 전자의 전하와 스핀을 동시에 이용하는 스핀트로닉스 장치에의 응용을 위해 많은 연구가 되어왔다. 이러한 시스템을 이용한 장치의 성능은 자성체와 반도체 사이의 계면의 특성에 많은 영향을 받기 때문에 자성체와 반도체의 계면에서의 자성적, 구조적 특성을 연구하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 새로운 자성체/반도체 시스템으로 Co/InP를 선택하여 이의 자성적, 구조적 특성에 대해서 연구하였다.
먼저 InP(2×4) 표면이 $Ar^+$ ion 충격과 어닐링 방법으로 얻어졌고 이는 STM과 RHEED 장비를 사용하여 확인되었다. 이렇게 얻은 InP 표면 위에 Co를 증착하면서 얻은 $\sl{in situ}$ SMOKE 결과로부터 Co/InP의 자성적 특성은 Co 두께에 따라 다음과 같은 세 가지로 나뉘어 짐을 알 수 있었다. (i) 강자성 특성을 보이지 않는 Co 14 $\Aring$ 까지의 영역 (ii) 16 $\AA$ 에서 30 $\AA$ 의 스핀의 수평 성분과 수직 성분이 공존하는 영역 (iii) 32 $\AA$ 에서 스핀의 수평 성분만 나타나는 영역. 이로부터 Co/InP는 Co의 두께에 따라 스핀의 수평, 수직 성분이 공존하는 준안정 상태에서 수평 자기이방성을 갖는 상태로 변화함을 알 수 있다.
자성 특성뿐만 아니라 heterstructure에서 항상 나타나는 stress 또한 시스템의 성질에 많은 영향을 주기 때문에 이에 대한 연구도 매우 중요하다. Co/InP의 $\sl{in situ}$ stress 측정으로부터 stress는 Co의 두께에 따라 다음과 같은 성질을 갖는다. (i) 2 $\AA$ 이하의 두께에서 발생하는 최대 -9.0 GPa까지 갖는 compressive stress (ii) 2 $\AA$ 이상의 두께에서 보이는 tensile stress와 이의 이완. STM 결과로부터 compressive stress는 Co가 InP 표면에 흡착하면서 Co, In, P로 되어 있는 새로운 phase를 구성하면서 발생하는 것이며 tensile stress는 Co island가 연결되어 연속화된 박막을 구성하면서 발생하는 것을 알 수 있다. 또 HRTEM 결과로부터 Co(110)[001]||InP(001)[110] 방향으로 lattice relaxation이 된 것도 tensile stress를 설명해준다.
InP는 IBA 과정에서 In 과잉의 표면을 구성한다. 특히 어닐링 온도가 높아질수록 P의 desorption에 의해 In droplet을 보이게 된다. 따라서 In droplet이 Co 자성에 끼치는 영향을 알아보기 위해 InP를 IBA 처리할 때 400 ℃에서 450 ℃까지의 온도로 처리한 후 Co를 증착하면서 자성 특성을 측정하였다. InP는 어닐링 온도가 높을수록 자성 특성이 안 좋아졌고 AES depth profile 과 XRD결과로부터 이는 Co와 In이 결합하여 생기는 결과라는 것을 확인할 수 있었다.
자성체/반도체 시스템에서 항상 발생하는 문제 중의 하나가 바로 자성체와 반도체 사이의 intermixing이다. 이러한 intermixing은 자성체/반도체 시스템의 자성 특성을 악화시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 intermixing을 해결하는 방법 중에 하나가 passivation layer를 사용하는 것일다. 우리는 Co 증착에 앞서 Sb를 증착한 후 Co/Sb/InP 시스템의 자성적 구조적 특성 등을 연구하였다. 먼저 $\sl{in situ}$ SMOKE 결과는 Co/Sb/InP 시스템이 Co/InP 시스템보다 더욱 얇은 Co 두께에서 강자성 자기이력곡선이 나타남을 보여준다. 이는 Sb에 의해 Co와 InP 사이의 intermixing이 억제되었음을 의미하며, AES depth profile 결과는 Co와 P의 intermixing이 성공적으로 억제되었음을 보여준다. 또 Sb는 계면활성제로 작용하여 Co/InP에서 Co 구조가 다결정 구조에서 단결정에 가까운 구조로 변하게 하였다. AGM 결과에서 Co/InP는 특정 방향의 자기이방성을 보이지 않는데 반해 Co/Sb/InP는 InP의 $[1\overline{1} 0]$ 방향을 따라 자화용이축을 갖는 것을 확인할 수 있었다. HRTEM 결과는 Sb를 사용하였을 때 hcp Co의 c-axis 축이 $[1\overline{1} 0]$ 의 방향을 따르는 것을 보여준다.
