KR20030087393A - 희박 자성 반도체 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 희박 자성 반도체 조성물에 관한 것으로서 Ti1-xMxO2, Zn1-xMxO, Sn1-xMxO 및 In2-xMxO3중 어느 하나의 화학식으로 표현되는 n형 또는 p형 반도체로서, 상기 M은 전이금속 원소인 Cr, Mn. Fe, Co, Ni 또는 Cu 중 어느 하나의 원소이고, 상기 x는 0.01 내지 0.5 몰%인 것을 특징으로 하고 있다.

Description

희박 자성 반도체 조성물{Composition of diluted magnetic semiconductor}
본 발명은 희박 자성 반도체 조성물에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 상온 부근에서도 강자성 특성을 잃지 않는 희박 자성 반도체 조성물에 관한 것이다.
양자역학의 발전과 함께 물질이 자성을 갖는 이유가 바로 원자를 구성하는 전자의 스핀에 의한 것이라는 사실이 알려지게 되었다. 즉, 전자는 이전부터 알려진 질량과 전하뿐만 아니라 스핀이라는 새로운 물리적 특성을 갖고 있고, 이에 의해 원자의 자기적 특성이 결정된다는 사실이 밝혀지게 된 것이다.
따라서, 최근에는 이러한 사실을 응용하고자 하는 연구가 다수 진행되고 있으며, 이를 통해 스핀트로닉스(spintronics)라는 새로운 학문분야가 창설되게 되었다. 스핀트로닉스란 스핀(spin)과 전자공학을 의미하는 일렉트로닉스(electronics)의 합성어로서 재료가 갖는 전기적 특성뿐만 아니라 자기적 특성을 함께 이용하여 새로운 형태의 디바이스를 구성하기 위한 것이다.
전자공학의 발달과 함께, 전자, 정보, 통신 산업 등에서 쓰이는 각종 디바이스의 성능도 빠른 속도로 발전하고 있으나, 반도체 기술에서 회로의 집적도가 증가하면서 기존의 반도체는 소자물리학적 관점에서 한계에 이르렀고, 소자의 신뢰성 등 여러 가지 문제가 대두되고 있다. 현재까지는 기존의 기술을 더욱 미세화한 공정을 개발하여 해결하고 있으나, 최근에는 이미 양자역학의 영역이라고 할 수 있는 0.1 micron 이하의 크기에 접근되어 감에 따라, 회로를 미세화할 수 있는 물리적 한계에 점차 도달해 가고 있다. 예로서, 기존의 반도체 소자의 크기가 극한으로 가는 경우에 전하 차징 에너지(charging energy)가 열적 요동보다 작아지면서 동작불능상태가 될 것이다.
그러나 이것보다도 더 중요한 한계는 현재 사용되고 있는 바이너리 비트("0" 또는 "1")를 이용한 불리안 로직(Boolean Logic)의 한계로서, 설령 물리적인 극한의 집적도가 이루어진다 해도, 인공두뇌와 같은 과학의 궁극적인 목표에 접근하기에는 근본적인 한계에 처하게 된다. 이는, 비-바이너리 비트(Non-binary Bit)에 근거를 두는 연산체계의 도입으로 해결될 수 있을 것으로 기대되며, 이를 뒷받침하는 반도체 재료의 개발 및 개념이 우선적으로 개발되어야 하는 것이다.
일반적인 실리콘과 갈륨과 같은 반도체 재료는 자성 이온을 포함하고 있지 않기 때문에 비자성 특성을 나타내는 물질이며, 이러한 재료들은 자성 재료의 결정구조와 큰 차이를 나타내기 때문에 전하와 스핀을 결합하고자 하는 스핀트로닉스재료로는 사용될 수 없는 것이었다. 그러나, 1960년대 말 반도체 스피넬(spinel)이나 에러피움 칼코제나이드(erupium calcogenide)와 같은 재료에서 강자성 특성과 반도체 특성을 동시에 갖는 자성반도체가 개발되어 스핀트로닉스 재료로서의 활용가능성이 제시된 바 있다.
한편, 비자성 반도체 조성물에 미량의 자성 이온을 첨가한 재료의 형태를 희박 자성 반도체(diluted magnetic semiconductor; DMS)라 한다. 일반적으로 반도체는 비자성 반도체 내에 자성 이온이 주기적으로 배열된 형태의 자성 반도체, 자성 이온이 존재하지 않는 비자성 반도체 및 미량의 자성 이온이 비자성 반도체 내에 주기적으로 배열하고 있는 희박 자성 반도체로 구분할 수 있다.
이와 관련된 것으로서, 1960년대에 개발된 EuSe, EuS, EuO, CdCr2Se4, CdCr3S4, 1980년대에 개발된 Cd1-xMnxTe 등의 II-VI족 화합물 및 최근에 연구되고 있는 III-V족 화합물인 Ga1-xMnxAs 등을 들 수 있으나, 큐리온도가 약 200K 부근에 머물고 있어 상온에서는 강자성 특성을 잃게 되므로, 스핀트로닉스 재료로서 사용되기에는 큰 문제점을 갖고 있는 것이다.
이를 해결하기 위해, Ge1-xFex등의 단결정 재료를 제조하여 희박 자성 반도체 조성물로서 활용하기 위한 연구가 진행 중에 있다, 그러나, 단결정을 제조하기 위해서는 약 1200℃ 정도의 고온에서 작업하여야 할 뿐 아니라, 특수한 제조공정을 사용하여야 하므로 제조단가의 상승을 피할 수 없다. 또한, 상기 재료는 비산화물로서 대기 중에서 사용시 산화되기 쉽기 때문에 안정성의 측면에서도 불리하다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 상온에서도 강자성 특정을 유지한 채 화학적으로 안정적으로 동작할 수 있으며, 간단한 공정 및 저렴한 제조비용으로 제작이 가능한 희박 자성 반도체 조성물를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
도 1은 본 발명에 의한 희박 자성 반도체 조성물의 바람직한 실시예에 대한 x선 회절도를 도시한 그래프이다.
도 2는 상기 실시예에 대한 상온에서의 자기 이력 곡선을 도시한 그래프이다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, Ti1-xMxO2, Zn1-xMxO, Sn1-xMxO 및 In2-xMxO3중 어느 하나의 화학식으로 표현되는 n형 또는 p형 반도체로서, 상기 M은 전이금속 원소인 Cr, Mn. Fe, Co, Ni 또는 Cu 중 어느 하나의 원소이고, 상기 x는 0.01 내지 0.5 몰%인 것을 특징으로 하고 있다.
Cr, Mn. Fe, Co, Ni 또는 Cu는 전이금속 계열의 자성 이온을 갖는 것으로서, 비자성 반도체에 자성을 부여하게 되며, 0.01 몰% 미만에서는 강자성 특성이 희박하여 원하는 정도의 효과를 얻기 힘들며, 0.5 몰%를 초과하여 첨가하여도 고용한계에 다다르게 되어 강자성 특성이 증가되지 않게 된다. 따라서, Cr, Mn. Fe, Co, Ni 또는 Cu를 첨가하는 비율은 0.01 내지 0.5 몰%로 한정하였다.
상기 희박 자성 반도체 조성물는 단결정 기판상에 통상의 졸-겔(sol-gel)법 또는 RF 마그네트론 스퍼터링 증착법으로 1000 내지 3000Å의 두께를 갖는 박막을 형성하고, 200 내지 900℃의 온도범위에서 공기중에서 열처리 공정을 수행하여 박막 형태로 성형할 수 있다. 상기 단결정 기판은 SiO2/Si(001), Si(111),LaAlO3(001), Al2O3(0001), MgO(001), YSZ(001) 및 코닝 글래스 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
상기 방법은 반도체 소자의 제조에 통상적으로 사용되는 졸-겔(sol-gel)법 또는 스퍼터링법으로서, 이를 통해 용이하게 제조할 수 있다.
박막 형태의 희박 자성 반도체를 개발하기 위해서는, 산화물 박막과 기판과의 결정성이 중요한 변수로 작용하므로, 사용기판과의 방향성을 고려하여 상기 기판재료 중 어느 하나를 사용하는 것이 좋다.
이하, 본 발명에 따른 희박 자성 반도체 조성물의 바람직한 실시예에 대해서 상세하게 설명하고자 한다.
본 실시예는 비자성 반도체인 TiO2산화물을 이용하여 희박 자성 반도체인 Ti1-xMxO2산화물 박막을 제조하기 위하여 전이금속 원소인 코발트 이온을 x=0.01 내지 0.5 mol% 범위로 치환하였다. Ti1-xMxO2산화물 박막 제조를 위해, 출발물질로는 티타늄 부톡사이드(Ti butoxide)와 코발트 아세테이트(Co acetate)를 선정하였다.
이들 물질을 적정 용매에 용해하여 수화반응 및 중축합반응을 유도한 후 단결정 기판인 LaAlO3(001) 기판상에 졸-겔 스핀코팅법으로 약 1500Å 두께의 박막을 형성하였다. 이렇게 증착된 박막은 400℃ 내지 700℃의 온도범위에서 공기 중에서 열처리 공정을 수행하여 최종 박막을 제조하였다.
도 1은 코발트 첨가량에 따른 제조된 Ti1-xMxO2산화물 박막의 x선 회절도를나타내고 있는 데, 이를 참조하면 Ti1-xMxO2산화물 박막은 기판과 C축 방향성을 갖는 우수한 결정성의 박막으로 성장하였음을 알 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 코발트 첨가량에 따른 제조된 Ti1-xMxO2산화물 박막의 상온에서의 자기적 특성을 측정한 결과를 볼 수 있다. 도시된 바와 같이, 비자성 반도체인 TiO2는 자성이온인 전이금속 Co를 미량첨가하면 상온에서도 강자성 히스테리시스를 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한, 자성이온인 전이금속 Co의 첨가량이 증가함에 따라서 자기유도의 상하 폭이 커짐을 알 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 상온 부근에서도 자성을 잃지 않는 희박 자성 반도체를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 단결정 형태가 아니므로 통상적으로 널리 알려져 있는 졸-겔(sol-gel)법 또는 스퍼터링법에 의해 박막 형태의 소자를 제조할 수 있으므로 제조시간 및 비용이 종래의 방법에 비해 절감되는 이점을 제공한다.
아울러, 본 발명에 의한 희박 자성 반도체 조성물는 산화물 형태로 존재하므로 대기중에서의 화학적 안정성이 매우 높은 장점을 갖는다.

Claims (1)

  1. Ti1-xMxO2, Zn1-xMxO, Sn1-xMxO 및 In2-xMxO3중 어느 하나의 화학식으로 표현되는 n형 또는 p형 반도체로서, 상기 M은 전이금속 원소인 Cr, Mn. Fe, Co, Ni 또는 Cu 중 어느 하나의 원소이고, 상기 x는 0.01 내지 0.5 몰%인 것을 특징으로 하는 희박 자성 반도체 조성물.
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