KR100714974B1 - Fabrication method of ferromagnetic zno semiconducter thin films at room temperature - Google Patents

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KR100714974B1 KR1020060044936A KR20060044936A KR100714974B1 KR 100714974 B1 KR100714974 B1 KR 100714974B1 KR 1020060044936 A KR1020060044936 A KR 1020060044936A KR 20060044936 A KR20060044936 A KR 20060044936A KR 100714974 B1 KR100714974 B1 KR 100714974B1
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최원국
최지원
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법에 관한 것이다. 더 자세하게는 산화아연 박막에 주입된 코발트 클러스터에 수백 MeV의 고에너지를 가진 중(重)이온을 소정의 이온선량으로 조사하여 단시간 내에 상기 코발트 클러스터를 분해시킨 다음 산화아연의 격자 내에 고용시킴으로써 우수한 강자성 특성을 나타내는 코발트가 주입된 산화아연 박막을 상온에서 제작하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature. More specifically, cobalt clusters injected into a zinc oxide thin film are irradiated with heavy ions having a high energy of several hundred MeV at predetermined ion doses to decompose the cobalt clusters within a short time, and then dissolve them in a lattice of zinc oxide. It relates to a method for producing a zinc oxide thin film injected with cobalt exhibiting characteristics at room temperature.

본 발명에서는 산화아연 박막을 플라즈마 보조 분자선 증착법(plasma assisted molecular beam epitaxy, PA-MBE)으로 단결정 기판 위에 증착하는 단계와; 상기 증착된 산화아연 박막에 코발트 이온을 소정 이온선량으로 주입하는 단계와; 상기 코발트가 주입된 산화아연 박막에 상온에서 고에너지를 가진 중이온을 소정 이온선량으로 조사하는 단계를 포함하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법이 제시된다.In the present invention, the method comprises the steps of: depositing a zinc oxide thin film on a single crystal substrate by plasma assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE); Implanting cobalt ions in a predetermined ion dose into the deposited zinc oxide thin film; Provided is a method of fabricating a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, comprising irradiating a cobalt-infused zinc oxide thin film with a predetermined ion dose of heavy ions having high energy at room temperature.

코발트 주입 산화아연 반도체, 은 이온 조사, 자화이력, 항전계, 강자성, DMS(diluted magnetic semiconductor) Cobalt implanted zinc oxide semiconductor, silver ion irradiation, magnetization history, electric field, ferromagnetic, diluted magnetic semiconductor (DMS)

Description

상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법 { Fabrication method of ferromagnetic ZnO semiconducter thin films at room temperature }Fabrication method of ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature {Fabrication method of ferromagnetic ZnO semiconducter thin films at room temperature}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.

도 2는 (a) 도핑되지 않은 산화아연 박막과 300℃에서 80 keV로 코발트 이온이 주입된 산화아연 박막의 X-선회절 패턴 및 (b) 도핑되지 않은 산화아연 박막과 200 MeV로 15가의 은 이온을

Figure 112006034897360-pat00001
ions/㎠의 이온 선량으로 조사한 코발트가 주입된 산화아연 박막의 X-선 회절 패턴을 나타내는 도면이다.FIG. 2 shows (a) an X-ray diffraction pattern of a zinc oxide thin film implanted with an undoped zinc oxide thin film and a cobalt ion implanted at 80 keV at 300 ° C., and (b) a 15-valent silver at 200 MeV with an undoped zinc oxide thin film. Ion
Figure 112006034897360-pat00001
It is a figure which shows the X-ray diffraction pattern of the zinc oxide thin film implanted with the cobalt irradiated by ion dose of ions / cm <2>.

도 3은 코발트가

Figure 112006034897360-pat00002
ions/㎠의 이온 선량으로 주입된 산화아연 박막에200 MeV로 15가의 은 이온을
Figure 112006034897360-pat00003
ions/㎠의 이온 선량으로 조사한 경우와 코발트를
Figure 112006034897360-pat00004
ions/㎠의 이온 선량으로 주입한 산화아연 박막에 은이온을 조사하지 않은 경우의 비저항 변화를 나타내는 도면이다.3 shows that cobalt is
Figure 112006034897360-pat00002
15 valent silver ions were implanted at 200 MeV into a zinc oxide thin film implanted at an ion dose of ions / cm 2.
Figure 112006034897360-pat00003
Cobalt and the case of irradiation with ion dose of ions / ㎠
Figure 112006034897360-pat00004
It is a figure which shows the specific resistance change when a zinc oxide thin film implanted in the ion dose of ions / cm <2> is not irradiated with silver ion.

도 4는 코발트가 각각

Figure 112006034897360-pat00005
과
Figure 112006034897360-pat00006
ions/㎠의 이온 선량으로 주입된 산화아연 박막에 200 MeV로 15가의 은 이온을
Figure 112006034897360-pat00007
ions/㎠의 이온 선량으로 조사했을 때의 강자성 이력곡선을 나타내는 도면이다.4 shows that cobalt is
Figure 112006034897360-pat00005
and
Figure 112006034897360-pat00006
15-valent silver ions at 200 MeV were deposited onto the zinc oxide thin film implanted at an ion dose of ions / cm 2.
Figure 112006034897360-pat00007
It is a figure which shows ferromagnetic hysteresis curve when it irradiates with ion dose of ions / cm <2>.

도 5는 (a) 순수한 산화아연 박막 및 (b) 코발트가

Figure 112006034897360-pat00008
ions/㎠의 이온 선량으로 주입된 산화아연 박막에 200 MeV로 15가의 은 이온을
Figure 112006034897360-pat00009
ions/㎠의 이온 선량으로 조사했을 때의 자기력 미세사진이다.5 shows that (a) a pure zinc oxide thin film and (b) cobalt
Figure 112006034897360-pat00008
15-valent silver ions at 200 MeV were deposited onto the zinc oxide thin film implanted at an ion dose of ions / cm 2.
Figure 112006034897360-pat00009
Magnetic force micrograph when irradiated with ion dose of ions / cm 2.

본 발명은 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법에 관한 것이다. 더 자세하게는 산화아연 박막에 주입된 코발트 클러스터에 수백MeV의 고에너지를 가진 중(重)이온을 소정의 이온선량으로 조사하여 단시간 내에 상기 코발트 클러스터를 분해한 다음 산화아연의 격자 내에 고용시킴으로써 우수한 강자성 특성을 나타내는 코발트가 주입된 산화아연 박막을 상온에서 제작하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature. More specifically, cobalt clusters injected into a zinc oxide thin film are irradiated with heavy ions having a high energy of several hundred MeV at a predetermined ion dose to decompose the cobalt clusters within a short time, and then dissolve them in the lattice of zinc oxide. It relates to a method for producing a zinc oxide thin film injected with cobalt exhibiting characteristics at room temperature.

최근 diluted magnetic semiconductor (DMS)가 전기적으로는 반도성 특성과 자성적인 면에서는 강자성 특성을 동시에 가지는 재료로 알려지면서 이를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 DMS 반도체는 이제까지의 전하를 이용한 전기적 반도체의 특성뿐만 아니라 스핀(spin)을 이용한 자성 특성이 부가되어 있어서, 전기적인 양(+), 음(-) 뿐만 아니라, 스핀 업(↑), 스핀 다운(↓)의 두 가지 다른 자성 상태를 사용할 수 있게 됨으로써, 현재 존재하는 반도체의 집적도를 크게 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 소자를 제작할 수 있는 장점이 있다. 현재까지 강자성 특성은 2-6족과 3-5족 반도체 재료에 3d 전이금속을 첨가함에 의해 얻어왔으며, 이러한 3d 전이금속은 큐리온도를 극저온(4.2K)에서 상온까지 변화시킬 수 있다. 전이금속이 도핑된 산화아연의 자화특성에 관한 연구가 다양하게 발표되었으나 주로 이들 시스템에서의 강자성의 원인 규명에 관한 것이었다. 이들 보고에 따르면 강자성을 나타내는 이유는 전이금속과 전이금속 산화물의 클러스터가 강자성적 규칙화에 의한 것으로 나타나 있으며 전이금속은 전통적인 고상합성법에 의해 산화아연 타겟에 도핑되고 이 타겟을 이용하여 박막화 되어졌다. 최근 DMS 재료가 산화아연 박막과 단결정에 이온주입에 의해 합성되었다는 몇몇 보고가 있으나 산화아연 내에 코발트 클러스터가 상당량 관찰이 되어 클러스터의 분해에 의한 산화아연 격자로의 고용(solid solution)을 통한 DMS 재료의 특성향상은 아직 풀리지 않은 과제로 남아있다.Recently, a diluted magnetic semiconductor (DMS) is known as a material having both a semi-conductive property and a ferromagnetic property in terms of magnetic properties. The DMS semiconductor has not only the characteristics of the electric semiconductor using the electric charges but also the magnetic properties using the spin, so that not only the electrical positive (+) and negative (-) but also the spin up (↑) and spin down By being able to use two different magnetic states of (↓), there is an advantage that a new concept of device can be fabricated that can greatly improve the degree of integration of existing semiconductors. To date, ferromagnetic properties have been obtained by adding 3d transition metals to Group 2-6 and Group 3-5 semiconductor materials, which can change the Curie temperature from cryogenic (4.2K) to room temperature. Various studies on the magnetization properties of zinc oxide doped with transition metals have been published, but mainly the cause of ferromagnetic properties in these systems. According to these reports, the reason for the ferromagnetic property is that the clusters of transition metals and transition metal oxides are caused by ferromagnetic regularization. The transition metals are doped by zinc oxide targets by conventional solid phase synthesis and thinned using the targets. Recently, there have been some reports that DMS materials have been synthesized by ion implantation into zinc oxide thin films and single crystals. However, a significant amount of cobalt clusters are observed in zinc oxide. Characteristic improvement remains an unsolved task

빠른 무거운 이온(swift heavy ion, SHI)의 조사(irradiation)는 전자-포논 (electron-phonon) 상호작용에 의해 매우 큰 에너지를 단시간 내에 전달할 수 있는 방법으로 알려져 왔으며, 이러한 에너지 전달 메카니즘은 coulomb explosion과 thermal spike 모델에 의해 규명되었다. Thermal spike 모델에 의하면, SHI이 매질을 통과하는 동안 전자를 여기 시키고 이때 전자가 얻은 운동에너지가 국부적으로 격자의 온도를 재료의 녹는점 이상으로 가열하기 충분한 전자-포논 상호작용에 의해 전달된다. 이후 빠른 급속냉각(

Figure 112006034897360-pat00010
K/s) 과정에 의해 재료의 특성을 원하는 방향으로 조절할 수 있다. 이러한 SHI의 조사는 다양한 소재의 물리적 성질을 조절하거나 두 개의 서로 다른 조성을 혼합하는데 폭넓게 사용되어 왔다. Irradiation of swift heavy ions (SHI) has been known to deliver very large energy in a short time by electron-phonon interactions. It was identified by a thermal spike model. According to the thermal spike model, SHI excites electrons as they pass through the medium, where the kinetic energy obtained is transferred by electron-phonon interactions sufficient to locally heat the lattice temperature above the melting point of the material. Rapid rapid cooling after
Figure 112006034897360-pat00010
K / s) process can adjust the properties of the material in the desired direction. This SHI investigation has been widely used to control the physical properties of various materials or to mix two different compositions.

한편, 전이금속이 주입된 강자성 반도체의 경우 전이금속 클러스터의 존재로 인하여 큰 비저항, 작은 항전계 및 잔류분극 특성을 나타낸다. 또한 일정한 크기를 가지는 클러스터가 강자성의 원인으로 여겨지며, 크기가 5 nm 미만 정도로 작아지는 경우 포화되지 않는 강자성, 즉 초상자성 (superparamagnetic)의 원인으로 알려지고 있다. 따라서 전이금속 클러스터를 분해하여 산화아연 격자 내에 고용을 시키는 것이 필요한데, 장시간에 걸쳐 온도를 올리고 유지시키면 전이금속 클러스터가 분해하여 고용되는 것이 아니라 전이금속 산화물을 형성하여 강자성 반도체 특성을 저하시키는 문제점이 있다.On the other hand, a ferromagnetic semiconductor implanted with a transition metal exhibits a large resistivity, a small electric field and residual polarization characteristics due to the presence of transition metal clusters. In addition, a cluster having a constant size is considered to be a cause of ferromagneticity, and when the size is reduced to less than 5 nm, it is known as a cause of unsaturation ferromagnetic, that is, superparamagnetic. Therefore, it is necessary to decompose the transition metal cluster and dissolve it in the zinc oxide lattice. If the temperature is raised and maintained for a long time, the transition metal cluster does not decompose and be dissolved but forms a transition metal oxide to deteriorate the ferromagnetic semiconductor properties. .

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 우수한 강자성 반도체 특성을 갖는 코발트가 도핑된 산화아연 박막을 상온에서 제작하는 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a cobalt-doped zinc oxide thin film having excellent ferromagnetic semiconductor properties at room temperature.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 산화아연 박막을 플라즈마 보조 분자선 증착법(plasma assisted molecular beam epitaxy, PA-MBE)으로 단결정 기판 위에 증착하는 단계와; 상기 증착된 산화아연 박막에 코발트 이온을 소정 이온선량으로 주입하는 단계와; 상기 코발트가 주입된 산화아연 박막에 상온에서 고에너지를 가진 중이온을 소정 이온선량으로 조사하는 단계를 포함하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법이 제시된다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of depositing a zinc oxide thin film on a single crystal substrate by plasma assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE); Implanting cobalt ions in a predetermined ion dose into the deposited zinc oxide thin film; Provided is a method of fabricating a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, comprising irradiating a cobalt-infused zinc oxide thin film with a predetermined ion dose of heavy ions having high energy at room temperature.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예는,An embodiment of the present invention,

진공 챔버의 초기 압력이

Figure 112006034897360-pat00011
torr인 상태에서 플라즈마 보조 분자선 증착법(plasma assisted molecular beam epitaxy, PA-MBE)으로 증착 중 기판의 온도는 720 ℃ 로 유지하면서 단결정
Figure 112006034897360-pat00012
(0001) 기판 위에 400 nm 의 두께로 x-ray 오메가 록킹(ω-rocking)법에 의해 측정된 바 ZnO(0002) 회절 피크의 반폭치 값이 86-92 arcsec로 결정성이 매우 우수하며, 전자농도가
Figure 112006034897360-pat00013
, 전기 이동도가 μ= 103-105 ㎠/Vs 인 아주 우수한 고품위 산화아연 박막을 증착하는 1 단계(S101)와;The initial pressure of the vacuum chamber
Figure 112006034897360-pat00011
Plasma assisted molecular beam epitaxy (PA-MBE) in the torr state while maintaining the temperature of the substrate during the deposition single crystal
Figure 112006034897360-pat00012
The ZnO (0002) diffraction peak had a half-width value of 86-92 arcsec as measured by the x-ray omega rocking method with a thickness of 400 nm on the (0001) substrate. Concentration
Figure 112006034897360-pat00013
A first step (S101) of depositing a very high quality zinc oxide thin film having an electric mobility μ = 103-105 cm 2 / Vs;

코발트 이온의 주입 시에 충격으로 인한 산화아연 박막의 기계적, 결정 구조적 결함의 발생을 감소시키기 위하여 상기 기판의 온도를 300 ℃로 유지하면서 상기 증착된 산화아연 박막에 최대 가속 전압이 120 kV인 이온 주입기를 사용하여 80 keV 가속전압으로 코발트 이온을

Figure 112006034897360-pat00014
~
Figure 112006034897360-pat00015
ions/㎠ 의 이온선량으로 주입하는 2 단계(S102)와;Ion implanter with a maximum acceleration voltage of 120 kV on the deposited zinc oxide thin film while maintaining the temperature of the substrate at 300 ° C. to reduce the occurrence of mechanical and crystal structural defects of the zinc oxide thin film due to impact upon implantation of cobalt ions. Using cobalt ions at an acceleration of 80 keV
Figure 112006034897360-pat00014
To
Figure 112006034897360-pat00015
two steps (S102) of implanting with an ion dose of ions / cm 2;

상기 코발트가 주입된 산화아연 박막에 상온에서 200 MeV의 15가 은 이온을

Figure 112006034897360-pat00016
ions/㎠ 의 이온선량으로 조사(irradiation)하여 코발트 클러스터를 고용(solid solution)시키는 3 단계(S103)를 포함하여 이루어진다.The cobalt-implanted zinc oxide thin film was supplied with 15 Mega silver ions of 200 MeV at room temperature.
Figure 112006034897360-pat00016
and a three step (S103) of solid solution of the cobalt cluster by irradiating with an ion dose of ions / cm 2.

상기 3 단계에서 은 이온을 가속시키는 가속기는 최대 가속 전압이 15 MV인 탠덤가속기를 사용하였으며, 은 이온을 조사할 때 가속 전압은 은 이온의 평균 주입 깊이가 산화아연 박막의 두께보다 커서 산화아연 박막 내에 은 이온이 잔류하지 않게 함으로써 주사되는 은 이온이 불순물로 작용하지 않는 정도의 범위에서 선택된다.In the third step, an accelerator for accelerating silver ions was used as a tandem accelerator with a maximum acceleration voltage of 15 MV. When irradiating silver ions, the acceleration voltage is higher than the thickness of the zinc oxide thin film because the average implantation depth of silver ions is greater than that of the zinc oxide thin film The silver ions to be scanned are selected in a range such that the silver ions to be scanned do not act as impurities by preventing the silver ions from remaining in them.

상기 가속 전압은 은 이온의 산화 아연 박막 내에서의 평균 주입 깊이를 SRIM(The Stopping and Range of Ions in Matters) 프로그램을 이용한 컴퓨터 모의 실험에 의해 구한 후 가속전압차에 의해 은 이온이 갖는 전기에너지와 은 이온의 운동에너지가 동일함을 이용하여 구할 수 있다.The acceleration voltage is calculated by computer simulation using the SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matters) program to calculate the average injection depth of silver ions in the zinc oxide thin film. It can be obtained by using the same kinetic energy of silver ions.

상기 3 단계에서처럼, 수백 MeV 정도의 고에너지, 중(重)이온 빔을 조사하면 중이온이 시료 내를 통과할 때 시료를 구성하는 원자들의 전자와 비탄성 충돌에 의해 전자들에 에너지를 전달하게 되고, 전자들은 이렇게 얻은 운동에너지를 주변 구성 원자들의 움직임 즉 포논에게 전달하게 되어 이온 궤적을 따라 온도가 급상승하게 된다. 이러한 국부적인 온도 상승으로 국부적인 용해도가 현저히 증가하는 작용을 하게 되어 본 발명의 실시예처럼 코발트 클러스터를 분해하여 산화아연의 격자 내에 고용시킴으로써 우수한 강자성 특성을 나타내는 코발트가 주입된 산화아연 박막을 제작하는 것이 가능하다.As in the third step, when irradiated with a high energy, heavy ion beam of about several hundred MeV, when the heavy ions pass through the sample, energy is transferred to the electrons by inelastic collisions with the electrons of the atoms constituting the sample. The electrons transfer these kinetic energy to the movements of the surrounding constituent atoms, or phonons, so that the temperature rises rapidly along the ion trajectory. The local solubility increases remarkably, so that the local solubility is remarkably increased. Thus, cobalt-injected zinc oxide thin films exhibiting excellent ferromagnetic properties by decomposing cobalt clusters and solid-solution in the lattice of zinc oxide are produced as in the embodiment of the present invention. It is possible.

도 2 내지 4는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 코발트가 주입된 산화아연 박막의 물리적 특성을 나타내는 도면이다.2 to 4 is a view showing the physical properties of the cobalt-injected zinc oxide thin film prepared according to an embodiment of the present invention.

상기 도면들을 얻기 위하여 은 이온 조사 전, 후의 코발트가 주입된 산화아연 박막의 구조적 특성을 파악하기 위해 X-선 회절 분석 (Bruker D8 X-ray diffractometer)을 행하였으며, 박막의 온도에 따른 전기저항은 77 ~ 300K의 온도 범위에서 4-탐침법 (four-probe method)을 이용하여 측정하였다. 또한, 등온 자화 이력곡선은 300K의 온도에서 alternating gradient force magnetometer (AGFM, Micromag-2900, Princeton Measurements Co.)를 이용하여

Figure 112006034897360-pat00017
emu의 감도로 측정하였다.In order to obtain the above drawings, the X-ray diffractometer (Bruker D8 X-ray diffractometer) was performed to investigate the structural characteristics of the zinc oxide thin film injected with cobalt before and after silver ion irradiation. The four-probe method was used in the temperature range of 77-300K. In addition, the isothermal magnetization hysteresis curve was measured using an alternating gradient force magnetometer (AGFM, Micromag-2900, Princeton Measurements Co.) at a temperature of 300K.
Figure 112006034897360-pat00017
It was measured by the sensitivity of emu.

도 2는 (a) 도핑되지 않은 산화아연 박막과 300℃에서 80 keV로 코발트 이온이 주입된 산화아연 박막의 X-선회절 패턴 및 (b) 도핑되지 않은 산화아연 박막과 200 MeV로 15가의 은 이온을

Figure 112006034897360-pat00018
ions/㎠의 이온선량으로 조사한 코발트가 주입된 산화아연 박막의 X-선회절 패턴 그림이다. 나노 크기의 코발트 클러스터가 도 2 (a)의 (111) 피크에 확연히 존재함을 알 수 있다. 이러한 코발트 클러스터의 존재는 산화아연 박막에 주입된 코발트가 아연의 격자에 고용되지 않았음을 나타낸다. 코발트 클러스터를 분해하여 산화아연에 고용시키기 위해 은 이온을 조사한 결과 은 이온이 주입되지 않은 상태에서의 코발트 클러스터의 피크가 사라져서 코발트 클러스터가 분해되어 산화아연 격자에 고용되었음을 알 수 있다 (도 2 (b)). FIG. 2 shows (a) an X-ray diffraction pattern of a zinc oxide thin film implanted with an undoped zinc oxide thin film and a cobalt ion implanted at 80 keV at 300 ° C., and (b) a 15-valent silver at 200 MeV with an undoped zinc oxide thin film. Ion
Figure 112006034897360-pat00018
X-ray diffraction pattern of a cobalt-implanted zinc oxide thin film irradiated with an ion dose of ions / cm 2. It can be seen that the nano-sized cobalt cluster is clearly present at the (111) peak of FIG. The presence of such cobalt clusters indicates that cobalt injected into the zinc oxide thin film was not dissolved in the lattice of zinc. As a result of investigating the silver ions to decompose the cobalt cluster and dissolve it in the zinc oxide, it can be seen that the peak of the cobalt cluster disappeared when no silver ions were injected, so that the cobalt cluster was decomposed and dissolved in the zinc oxide lattice (FIG. 2 (b). )).

도 3은 코발트가

Figure 112006034897360-pat00019
ions/㎠의 이온선량으로 주입된 산화아연 박막에 200 MeV로 15가의 은 이온을
Figure 112006034897360-pat00020
ions/㎠의 이온선량으로 조사한 경우와 코발트를
Figure 112006034897360-pat00021
ions/㎠의 이온선량으로 주입한 산화아연 박막에 은 이온을 조사하지 않은 경우의 비저항을 나타낸 그림이다. 도 3에 나타난 바와 같이 주입된 코발트 클러스터의 존재는 산란중심 (scattering center)이 되어 비저항을 증가시킨다. 그러나 SHI(swift heavy ion)가 조사되면 코발트 클러스터가 분해되어 산화아연 격자 내에 고용됨에 의해 구조가 규칙적(ordering)으로 되며 비저항을 감소시킨다.3 shows that cobalt is
Figure 112006034897360-pat00019
15-valent silver ions at 200 MeV were deposited onto the zinc oxide thin film implanted at ion doses of ions / cm 2.
Figure 112006034897360-pat00020
Cobalt and the case of irradiation with ion dose of ions / ㎠
Figure 112006034897360-pat00021
This figure shows the specific resistance of the zinc oxide thin film injected with ion dose of ions / cm 2 when no silver ions were irradiated. As shown in FIG. 3, the presence of the injected cobalt cluster becomes a scattering center to increase the resistivity. However, when SHI (swift heavy ion) is irradiated, cobalt clusters are decomposed and dissolved in the zinc oxide lattice, resulting in ordering of the structure and reducing specific resistance.

도 4는 코발트가 각각

Figure 112006034897360-pat00022
과
Figure 112006034897360-pat00023
ions/㎠의 이온선량으로 주입된 산화아연 박막에 200 MeV로 15가의 은 이온을
Figure 112006034897360-pat00024
ions/㎠의 이온선량으로 조사했을 때의 강자성 이력곡선을 나타낸 그림이다. 두 경우 모두 강자성 이력곡선을 나타내나 코발트의 주입량이 많을수록 자화와 보자력(coercivity)이 증가함을 알 수 있다.4 shows that cobalt is
Figure 112006034897360-pat00022
and
Figure 112006034897360-pat00023
15-valent silver ions at 200 MeV were deposited onto the zinc oxide thin film implanted at ion doses of ions / cm 2.
Figure 112006034897360-pat00024
Figure shows the ferromagnetic hysteresis curve when irradiated with ion dose of ions / cm 2. In both cases, the ferromagnetic hysteresis curve is shown, but as the amount of cobalt injected increases, the magnetization and coercivity increase.

도 5는 (a) 순수한 산화아연 박막 및 (b) 코발트가

Figure 112006034897360-pat00025
ions/㎠의 이온선량으로 주입된 산화아연 박막에 200 MeV로 15가의 은 이온을
Figure 112006034897360-pat00026
ions/㎠의 이온선량으로 조사했을 때의 자기력 미세사진을 나타낸 그림이다. 5 shows that (a) a pure zinc oxide thin film and (b) cobalt
Figure 112006034897360-pat00025
15-valent silver ions at 200 MeV were deposited onto the zinc oxide thin film implanted at ion doses of ions / cm 2.
Figure 112006034897360-pat00026
The figure shows the micro photograph of magnetic force when irradiated with ion dose of ions / ㎠.

도 5에서 알 수 있듯이 코발트가 주입되지 않은 순수한 산화아연 박막의 경우 자화된 영역이 관찰되지 않으나 코발트가 주입되고 은 이온으로 조사된 산화아연 박막의 경우 자화된 분역(domain)들이 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다. 따라서 200 MeV로 15가의 은 이온을

Figure 112006034897360-pat00027
ions/㎠의 이온선량으로 조사함에 의해 단시간 내에 산화아연 박막에 주입된 코발트 클러스터가 분해하여 산화아연의 격자 내에 고용되어 우수한 강자성 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.As can be seen in FIG. 5, in the case of a pure zinc oxide thin film not injected with cobalt, magnetized regions are not observed, but in the case of a zinc oxide thin film in which cobalt is injected and irradiated with silver ions, magnetized domains are uniformly distributed. It can be seen. Therefore, at 200 MeV, 15 valence silver ions
Figure 112006034897360-pat00027
It can be seen that by irradiating with an ion dose of ions / cm 2, cobalt clusters injected into the zinc oxide thin film in a short time are decomposed and dissolved in the lattice of zinc oxide to exhibit excellent ferromagnetic properties.

이상에서 살펴본 것처럼 본 발명의 실시예에 따를 경우 낮은 전기 비저항, 큰 항전계 및 큰 잔류분극값을 갖는 우수한 강자성을 가진 산화아연 박막을 제작할 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, a zinc oxide thin film having excellent ferromagnetic properties having a low electrical resistivity, a large electric field, and a large residual polarization value may be manufactured.

본 발명에 의하면, 산화아연 박막에 주입된 코발트 클러스터에 고에너지의 중(重)이온을 소정의 이온선량으로 조사하여 상기 코발트 클러스터를 단시간 내에 분해한 다음 산화아연의 격자 내에 고용시킴으로써 상온에서 우수한 강자성 특성을 나타내는 코발트가 주입된 산화아연 박막을 제작할 수 있고, 이에 대한 다방면으로의 활용이 기대된다.According to the present invention, the cobalt cluster injected into the zinc oxide thin film is irradiated with a high energy heavy ion at a predetermined ion dose to decompose the cobalt cluster in a short time, and then dissolved in a lattice of zinc oxide, thereby providing excellent ferromagnetic properties at room temperature. Cobalt-injected zinc oxide thin films exhibiting characteristics can be produced, and the use of them in various aspects is expected.

Claims (15)

강자성을 띤 산화아연 박막을 제작하는 방법에 있어서,In the method for producing a ferromagnetic zinc oxide thin film, 진공 챔버에서 단결정 기판에 산화아연을 증착시켜 상기 단결정 기판 위에 소정 두께로 산화아연 박막을 형성하는 1단계;Depositing zinc oxide on the single crystal substrate in a vacuum chamber to form a zinc oxide thin film with a predetermined thickness on the single crystal substrate; 상기 단결정 기판 위에 형성된 산화아연 박막에 이온 주입기를 사용하여 전이금속 이온을 소정의 이온선량으로 주입하는 2단계;Injecting transition metal ions in a predetermined ion dose into a zinc oxide thin film formed on the single crystal substrate using an ion implanter; 상기 전이금속 이온이 주입된 산화아연 박막에 이온 가속기를 사용하여 상온에서 중이온을 소정의 이온선량으로 조사하는 3단계를 포함하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The method of manufacturing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, comprising the step of irradiating the zinc oxide thin film implanted with transition metal ions with a predetermined ion dose at room temperature using an ion accelerator. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 단결정 기판은
Figure 112006034897360-pat00028
(0001) 형태의 기판인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The single crystal substrate is
Figure 112006034897360-pat00028
A method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that the substrate is a (0001) type. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 1 단계에서 형성된 산화아연 박막은 x-ray 오메가 록킹법에 의해 측정된 ZnO (0002) 회절 피크의 반폭치 값이 86 내지 92 arcsec 인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The zinc oxide thin film formed in step 1 is a method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that the half-width value of the ZnO (0002) diffraction peak measured by x-ray omega locking method is 86 to 92 arcsec. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 1단계에서 형성된 산화아연 박막은 전자농도가
Figure 112006034897360-pat00029
인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The zinc oxide thin film formed in step 1 has an electron concentration
Figure 112006034897360-pat00029
A method of producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 1단계에서 형성된 산화아연 박막은 전기이동도가 103 내지 105 ㎠/Vs 인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The method of manufacturing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that the zinc oxide thin film formed in step 1 has an electric mobility of 103 to 105 cm 2 / Vs. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 2단계에서 주입되는 전이금속 이온은 코발트 이온인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The transition metal ion implanted in step 2 is a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film manufacturing method at room temperature, characterized in that the cobalt ion. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 코발트 이온은 80 keV의 에너지로 주입되는 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The cobalt ions are implanted at an energy of 80 keV ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film manufacturing method at room temperature. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 코발트 이온의 주입 이온선량은
Figure 112006034897360-pat00030
내지
Figure 112006034897360-pat00031
ions/㎠ 의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The implantation ion dose of the cobalt ions is
Figure 112006034897360-pat00030
To
Figure 112006034897360-pat00031
A method of producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that selected from the range of ions / cm 2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 2단계에서 단결정 기판의 온도를 300 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film manufacturing method at room temperature, characterized in that the temperature of the single crystal substrate is maintained at 300 ℃ in step 2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 3단계에서 이온 가속기의 가속 전압은 상기 조사되는 중이온의 평균 주입 깊이가 상기 형성된 산화아연 박막의 두께보다 크게 하는 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The acceleration voltage of the ion accelerator in the step 3 is selected from the range in which the average implantation depth of the irradiated heavy ions larger than the thickness of the formed zinc oxide thin film, the method of producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 3단계에서 조사되는 중이온은 은 이온인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.Method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that the heavy ions irradiated in the step 3 is a silver ion. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 은 이온은 200 MeV 의 에너지로 조사되는 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The silver ion is irradiated with energy of 200 MeV ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film manufacturing method at room temperature. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 은 이온은 15가의 이온인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화 아연 반도체 박막 제작 방법.The silver ions are 15 valent ions, characterized in that the ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film manufacturing method at room temperature. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11, 상기 은 이온의 조사 이온선량은
Figure 112006034897360-pat00032
ions/㎠ 인 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.The irradiation ion dose of the silver ions is
Figure 112006034897360-pat00032
A method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that ions / cm 2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 3단계에서 조사되는 중이온은 수백 MeV의 에너지를 가진 것을 특징으로 하는 상온에서의 강자성 산화아연 반도체 박막 제작 방법.Method for producing a ferromagnetic zinc oxide semiconductor thin film at room temperature, characterized in that the heavy ions irradiated in the step 3 has an energy of several hundred MeV.
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