KR100915058B1 - 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서 - Google Patents
압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서Info
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Abstract
본 발명은 압전성 단결정 박막의 압전현상 및 자성체의 자화 반전 및 자왜현상을 응용한 자기-압전 반도체 통합센서에 관한 것으로, 음압 또는 자기력 등의 물리적 현상을 고감도 전기신호로 획득할 수 있어, 생체신호 감지용, 자기 패턴인식용, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘의 감지센서용 또는 전압센서로 활용될 수 있는 통합센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 압전성 단결정 박막의 압전현상 및 자성체의 자화 반전 및 자왜현상을 응용한 자기-압전 반도체 통합센서에 관한 것으로, 음압 또는 자기력 등의 물리적 현상을 고감도 전기신호로 획득할 수 있어, 생체신호 감지용, 자기 패턴인식용, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘의 감지센서용 또는 전압센서로 활용될 수 있는 통합센서에 관한 것이다.
강유전체이며 압전특성이 우수한 압전성 단결정을 벌크 형태 또는 막구조 형태로 압전체를 구성한 음향센서가 공지되어 있다. 이러한 음향센서는 단결정 물질의 형상 및 분극 방향과 외부 전계 방향에 따라 진동이 일어나는 원리를 이용하여, 음압에 의한 전기신호를 얻는 센서이다. 한편, 현재까지 외부인가 자기장을 통한 기록방식인 MTJ(Magnetic Tunnelling Junction)를 기반으로 하는 정보 기록 및 판독 기술이 개발되었으며, 이는 미국 특허(US Pat. No. 6,518,588, 6,097,625, 5,640,343) 에 기술되어 있고, 한편 자기장을 통한 기록방식에서 전압을 인가하는 방법으로 자화반전을 제어하는 기술에 대한 중요성이 최근 들어 증대되고 있으며, 이를 위하여 전류나 전기장을 인가하여 자화방향을 제어한 정보의 기록 및 판독 방법을 위한 기술이 미국 특허 (US Pat. No. 6,829,157)에 기술되어 있으나, 감도가 낮아 통합소자를 설계하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명자는 음향센서 원리 및 자성체 자화 반전 및 자왜현상을 이용한다면, 음압 또는 자기력 등의 물리적 현상을 고감도 전기신호로 획득할 수 있다는 착상 하에 본 발명을 완성하였다. 이에 따라, 본 발명은 전압이 인가되거나 전기신호를 얻을 수 있는 양(+)과 음(-)으로 이루어지는 두 개의 전극을 형성하되 압전효과가 뛰어난 압전단결정으로 이루어진 압전층에 용이하게 전압이 인가되거나 전기적 신호를 얻을 수 있도록 형성하고, 전압이 인가된 상기 압전단결정 층에서 응력이 발생하여 이것이 상부에 형성된 자성층의 자화방향을 수평 또는 수직으로 반전하여 입력된 정보를 획득하고, 한편 두 개의 판독 기능 전류선을 이용하여 전류를 통하여 자성층의 자화변형에 의한 저항변화를 통해 획득된 정보를 판독하도록 하여, 입력되는 정보를 보다 고감도로 처리하거나, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘의 변화에 의한 전기신호가 얻어질 수 있는 통합소자를 제안하는 것이다. 이러한 본 발명에 의한 설계에 의하면, 낮은 전압 또는 전기장에도 불구하고 압전효과가 우수한 PMN-PT계 또는 PZN-PT계 압전단결정에 의한 정보 획득이 가능하므로 초 저전력설계가 가능할 뿐 아니라, 낮은 신호가 입력되는 생체신호센서 등에서 활용될 수 있는 통합소자의 설계가 가능하다.
따라서, 본 발명의 목적은 음향센서 원리 및 자성체 자화 반전 및 자왜현상을 이용하여, 음압 또는 자기력 등의 물리적 현상을 고감도 전기신호로 획득할 수 있는, 저전력설계가 가능한 통합센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 이러한 원리가 적용되는 구성의 생체신호 감지용, 자기 패턴인식용, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘 감지용 또는 전압용 센서, 또는 메모리로 활용될 수 있는 통합소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 통합센서는, 기판; 상기 기판에 적층되며, 외부 전압이 인가되거나 전기적 신호를 얻을 수 있는 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 평행하는 두 개의 전극층 및 상기 전극층 사이에 전극 측면과 접촉하도록 배치되는 압전단결정 박막층; 상기 박막층 상부에 적층되며, 상기 전극 중 일 전극과 접촉되지 않도록 배치되는, 박막층 면과 수평 또는 수직방향의 자화방향을 가지는 자성층; 및 상기 자성층 상부에 적층되는 제1 전류선 및 상기 제1 전류선과 수직 방향으로 연장되며 상기 전극층 중 일 전극층 상부에 적층되는 제2 전류선으로 구성된다.
또한, 제2 전류선 및 상기 전극층 중 일 전극층 사이에는 절연층이 개재될 수 있으며, 상기 기판에는 입력되는 물리 신호를 집합하거 강도를 높이기 위한 보이드 공간이 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 압전단결정 박막층은 PMN-PT계 또는 PZN-PT계 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 상기 박막층은 에폭시를 사용하여 기판 상부에 부착될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 양(+)과 음(-)으로 이루어지는 두 개의 전극선 및 우수한 압전효과를 보이는 압전단결정을 사용하여 낮은 전압 또는 전기장에도 원활하게 기록과 판독이 가능함으로써 초 저전력형 설계가 가능하고 속도의 향상이 가능하다. 또한, 낮은 신호 및 고 용량의 데이터처리가 필요한 각종 생체신호를 처리할 수 있어, 헬스케어 분야에서의 유비쿼터스 센서 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 통합센서 일 실시예의 개략적인 종 측면도이며,
도 2는 본 발명에 의한 통합센서 일 실시예의 개략적인 종 측면도이며,
도 3은 본 발명에 의한 통합센서 일 실시예의 개략적인 종 측면도이다.
상기 기판은 Si 기판이며, 상기 전극층은 Pt, Pd, Cu, Al, Ru, W 중 어느 하나의 원소로 증착될 수 있다. 상기 자성층은, 상기 전극 중 일 전극과 접촉되지 않도록 배치되는, 하나 이상의 적층 구조로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 자유강자성층, 비자성층, 고정강자성층으로 순차적으로 적층될 수 있다. 이러한 다층 자성 적층의 경우에는, 자유강자성층 및 고정강자성층은 Co/Pd합금 또는 Co,Fe, Ni, Tb로 구성되는 A, Co, Fe, Ni, C로 구성된 B, Pd, Pt, Au, Cu, Al, W로 구성된 C, Sm, Dy, Tb,로 구성된 D군의 합금 중 어느 하나로 이루어지거나 이의 혼합으로 이루어질 수 있다. 상기 비자성층은 Cu 또는 Ru 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 전류선은 판독 기능을 위한 것이며, Cu로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 통합센서의 특징 중의 하나는, 우수한 압전 특성을 가지는 단결정 물질을 이용하는 것이며, PMN-PT계 (납 마그네슘 나이오베이트-납 티타네이트계 물질) 또는 PZN-PT계 (납 아연 나이오베이트-납 티타네이트계 물질)이 이용될 수 있으며, 아래 화학식 1에 의한 조성을 만족하는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
x[P]y[M]z[N]p[T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.
이러한 조성의 단결정 물질은 본 발명자가 선행 출원한 대한민국 특허출원 제2003-47458호에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있으므로, 상기 특허출원에 개시된 내용은 본 명세서에 통합되어 일부를 구성한다. 또한, 본 발명에 의한 전압제어 자화반전 현상을 이용한 기록 및 판독 원리는 상기 미국특허에 개시되며, 이러한 원리들은 본 명세서에 통합되어 그 일부를 형성한다.
이하, 본 발명에 의한 작동을 설명한다.
본 발명에 따른 통합센서에서 정보가 기록되는 메커니즘은 다음과 같다.
우선 제1단계는, 각 전극에 전압을 인가하는 단계로서 이 전압은 직접적인 전압일 수도 있고 물리적 신호, 특히 음향 센서를 통한 전압일 수도 있다. 2단계는 전극에 인가된 전압으로 발생한 전기장에 의해 압전단결정 박막층에 변형이 유도되는 단계이다. 이에 따라, 마지막으로 상기 압전단결정 박막층 상부에 적층된 자성층의 자화 상태가 수평상태에서 수직상태로 자발 자화하는 단계로서 이때의 변화상태가 상기 전극을 통해 기록되는 단계로 이루어진다.
또한, 상기 얻어진 정보의 판독 메커니즘은 다음과 같다.
먼저 제1단계로는, 수직으로 배열된 두 개의 전류선 중 어느 하나에 전류를 인가하는 단계이다. 이에 따라, 제2단계에서는 상기 전류가 자성층으로 전송되는 단계이며, 마지막으로 전송된 전류가 자성층 자발 자화 방향의 변화로 발생한 저항의 변화를 감지하여 다른 하나의 전류선에 흘러 판독이 가능하다.
본 발명은 압전단결정의 우수한 압전효과와 자성체의 적층형태를 이용하여 압전/자성체의 복합형태를 사용하여 낮은 전압 또는 전기장에도 압전단결정 박막층 변형이 유발되어, 이를 자성층에서 감지하여 기록 및 판독이 가능한 초고효율, 초고집적, 비휘발성 통합센서를 구현하는 것으로, 특히 상기 압전단결정 박막층이 PMN-PT계 또는 PZN-PT 계열 중 어느 하나의 압전단결정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 실시예 1에 의한, 도 2는 실시예 2에 의한, 압전단결정/자성층으로 이루어진 통합센서의 종 측면도들이며, 도 3은 본 발명 실시예 1에 의한 통합센서 횡 측면도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 1 내지 도 3에 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 압전단결정/자성층 구성의 통합센서는, Si 기판 (10); 상기 기판에 적층되며, 외부의 전압이 인가되거나 전기적 신호를 얻을 수 있도록 형성되는 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 평행하는 두 개의 전극들 (21, 22) 및 상기 전극들 사이에 전극 측면과 접촉하도록 배치되는 압전단결정 박막층 (30); 상기 박막층 상부에 적층되며, 상기 전극 중 일 전극과 접촉되지 않도록 배치되는, 박막층 면과 수평 또는 수직방향의 자화방향을 가지는 자성층 (40); 및 상기 자성층 상부에 적층되는 제1 전류선 (51) 및 상기 제1 전류선과 수직 방향으로 연장되며 상기 전극 중 일 전극 (21) 상부에 적층되는 제2 전류선 (52)으로 구성된다. 또한, 제2 전류선 (52) 및 상기 전극 중 일 전극 (21) 사이에는 절연층 (60)이 개재될 수 있으며, 상기 기판 하부에는 입력 신호를 증폭하기 위한 보이드 공간 (11)이 하나 이상 형성될 수 있다. 또한, 상기 전극 (21, 22) 면은 기판 수평 방향으로 연장되어 접촉면적이 확장될 수 있다 (실시예 2).
한편, 상기 통합센서 일 소자 (100)에는, Si 기판 위에 두 개의 전극층 (21,22)이 먼저 증착되어, 정보 기록과정에서 전압이 인가되는 기록선으로 기능하되, 각각 소자를 연결하기 위하여 기판에 수평 방향으로 평행 연장되도록 구성된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 일 전극(21)은 기판과의 접촉면적이 확장되도록 설계될 수도 있으며, 일 전극 (22)은 상부에 적층된 자성층 (40)과의 접촉면적이 확장되도록 연장 적층될 수 있다. 이때, 전극 구성물질은 Pt, Pd, Cu, Au, Al, Ru, W 중 어느 한 원소로 증착될 수 있다.
또한, 상기 양(+) 전극과 음(-) 전극의 사이에 압전단결정 박막층이 두 개의 전극층 각 측면과 접촉되도록 형성된다. 상기한 바와 같이, 상기 박막층은 PMN-PT계 또는 PZN-PT계와 같이 압전상수(d33)가 큰 물질로 이루어지며, 박막층 두께는 저 전압에서 최대 변형이 인가되기 위한 범위 내에서 결정된다.
한편, 상기의 자성층 (40)은, 제한적이지는 않지만, 적층 구조로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 하부로부터 순차적으로, 상기 전극 중 일 전극 (21)과 접촉되지 않도록 배치되는 자유강자성층 (41), 비자성층 (42), 고정강자성층 (43)으로 이루어진다. 여기서 자유강자성층 (41)은 자기저항과 자왜상수가 큰 자성박막이 사용되고, 상기 박막층 상부에 증착된다. 이러한 자유자성층은 바람직하게는 Co/Pd의 합금으로 이루어진다. 상기의 비자성층 (42)은 상기의 자유강자성층 상부에 배치되고, 바람직하게는 Cu층 또는 Cu/Ru의 합금으로 이루어진다. 상기의 고정강자성층 (43)은 상기의 비자성층 위에 배치되며, NiFe와 같은 강자성체가 이용된다. 상기 고정강자성층의 자화는 수평방향으로 자화되도록 이루어진다. 한정적이지는 않지만, 본 실시예와는 달리 자유강자성층 및 고정강자성층은 Co/Pd합금 또는 Co,Fe, Ni, Tb로 구성되는 A, Co, Fe, Ni, C로 구성된 B, Pd, Pt, Au, Cu, Au, Al, W로 구성된 C, Sm, Dy, Tb,로 구성된 D군의 합금 중 어느 하나로 이루어지거나 이의 혼합으로 이루어지는 것도 가능하다.
상기 두 개의 전류선 (51, 52) 중 하나의 전류선 (51)은 상기 고정강자성층 (43)의 상부에 증착되어 배치되며, 일반적으로 구리선이 이용된다. 그러나, 본 실시예와는 달리 Pt, Pd, Cu, Au, Al, Ru, W 중 어느 한 원소로 전류선을 구성하는 것 가능하다. 상기 두 개의 전류선 (51, 52) 중 나머지 하나의 전류선 (52)은 상기 자유강자성층 (41) 측면과 일 전극층 (51)의 상부에 배치되며 절연층 (60)에 의해서 전극층 (21)과 구분된다. 이러한 두 개의 전류선 배치에 의하여 일 전류선으로부터의 전류는 자성층 (40)을 통과하여 다른 하나의 전류선으로 흐르게 되어 기록된 정보를 판독하게 되고, 각 소자의 배열에서 각각의 전류선은 트래지스터와 같은 고체 스위치를 이용하여 선택되도록 이루어짐으로써 각각의 소자를 판독할 수 있다.
상술한 바와 같은 압전단결정/자성체 구성에 의하여 본 발명에 의한 통합센서는 압전단결정의 압전효과를 통해 뛰어난 신호 제어가 가능하여, 신호가 작은 입력되는 생체신호센서 등으로 활용될 수 있는 통합소자의 설계가 가능하다. 또한, 이러한 음향센서 원리 및 자성체 자화 반전 및 자왜현상을 이용하여, 음압 또는 자기력 등의 물리적 현상을 고감도 전기신호로 획득할 수 있어, 자기 패턴인식용, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘 감지용 또는 전압용 센서, 또는 메모리로 활용될 수 있는 통합소자를 제공할 수 있는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
Claims (10)
- 기판; 상기 기판에 적층되며, 외부의 전압이 인가되거나 전기적 신호를 얻을 수 있도록 형성되는 양(+) 전극과 음(-) 전극으로 이루어지는 평행하는 두 개의 전극, 및 상기 전극 사이에 전극 측면과 접촉하도록 배치되는 압전단결정 박막층; 상기 박막층 상부에 적층되며, 상기 전극 중 일 전극과 접촉되지 않도록 배치되는, 박막층 면과 수평 또는 수직방향의 자화방향을 가지는 자성층; 및 상기 자성층 상부에 적층되는 제1 전류선 및 상기 제1 전류선과 수직 방향으로 연장되며 상기 전극 중 일 전극 상부에 적층되는 제2 전류선으로 구성되며,상기 압전단결정 박막층은 아래 화학식 1의 조성을 만족하는 PMN-PT계 또는 PZN-PT계 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서.[화학식 1]x[P]y[M]z[N]p[T][P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 전류선 및 일 전극층 사이에는 절연층이 개재된 것을 특징으로 하는, 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서.
- 제1항에 있어서, 상기 기판 하부에는 입력 신호를 집합하고 강도를 높이기 위한 보이드 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는, 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서.
- 삭제
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전극층 또는 전류선은 Pt, Pd, Cu, Au, Al, Ru, W 중 어느 하나의 원소로 구성된 것을 특징으로 하는, 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 자성층은 하나 이상의 적층 구조로 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는, 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서.
- 제6항에 있어서, 상기 자성층은 하부로부터 순차적으로 자유강자성층, 비자성층, 고정강자성층으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 압전단결정 박막을 이용한 자기-압전 반도체 통합센서.
- 제1항 구성에 의한 생체신호 감지용, 자기 패턴인식용, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘 감지용 또는 전압용 통합센서.
- 제8항에 있어서, 휴대용 또는 정치용 전자기기에 부착되어 인체 유무해한 신호를 감지하기 위한, 생체신호 감지용, 자기 패턴인식용, 외부자기장, 전자기파 또는 물리적 힘 감지용 또는 전압용 통합센서.
- 제1항 구성에 의한 메모리 소자.
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