[논문]AlN 반도체와 Cu의 도핑 농도에 대한 자성

강병섭; 이행기

AlN 반도체와 Cu의 도핑 농도에 대한 자성
Magnetic Properties of Cu-doped AlN Semiconductor 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.9 no.3, 2010년, pp.1 - 4

강병섭 (충북대학교 자연과학대학 물리학과) , 이행기 (대구산업정보대학 방사선과)

Abstract ▼ AI-Helper

First-principles calculations based on spin density functional theory are performed to study the spin-resolved electronic properties of AlN doped with a Cu concentration of 6.25%-18.75%. The ferromagnetic state is more energetically favorable state than the antiferromagnetic state or the nonmagnetic state. For $Al_{0.9375}Cu_{0.0625}N$, a global magnetic moment of 1.26 mB per supercell, with a localized magnetic moment of 0.75 $m_B$ per Cu atom is found. The magnetic moment is reduced due to an increase in the number of Cu atoms occupying adjacent cation lattice position. For $Al_{0.8125}Cu_{0.1875}N$, the magnetism of the supercell disappears by the interaction of the neighboring Cu atoms. The nonmagnetic to ferromagnetic phase transition is found to occur at this Cu concentration. The range of concentrations that are spin-polarized should be restricted within very narrow.

주제어

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문제 정의

FPLMTO 제일원리 계산을 통하여 AlN 내 비자성 금속의 도핑원자에 의한 전자적 구조와 자성을 연구하였다. AlN 반도체 내에 비자성원자의 독립적인 존재는 스핀 편극이 일어난다.
25%는 32개 원자로 구성된 거대 단위 세포 내에 1개의 불순물 원자가 존재하는 농도이다. 그러므로, AlN 반도체를 기반으로 한 강자성 특성을 가지는 DMS 소재에 대한 연구로서 불순물 금속의 농도가 증가함에 따라 강자성 특성이 유지되는가에 대한 관심을 둔 연구이다.
본 연구는 AlN에 비자성 금속 Cu가 6.25%에서 18.75% 도핑 농도에 대한 자성 특성 및 전자적 구조를 연구하였다. 6.

가설 설정

결론적으로, AlN 내에 Cu의 공간 결합 형태(clustering)를 더욱 세밀한 계산 결과가 필요하지만, 매우 낮은 거의 Cu원자가 독립적으로 존재할 때 스핀 편극이 일어난다. Cu도핑원자가 나노크기의 덩어리(nanosized clusters)에서 강자성의 특성이 아주 약해지거나 자성 특성은 사라질 것이다.

제안 방법

5%농도에 대한 전자 상태밀도(density of states; DOS)를 보여주고 있다. 에너지가 낮은 두 상태에 대하여 농도 변화에 대한 전자상태밀도를 비교하였다. 6.
원자 위치에 따른 전체 전하밀도 정보를 가진 총에너지 계산에서 퍼텐셜 에너지의 입력과 출력의 차이가 1 × 10-6 (eV) 까지 자체 충족과정을 되풀이 계산하였다.

대상 데이터

밀도 범 함수 이론 하에 제일 원리적인 국소 밀도 근사법인 full-potential linear muffin-tin orbital(FPLMTO) 계산방법을 사용하였다[12-13]. 계산에 사용된 거대 단위 세포는 32개의 원자가 wurtzite 구조를 가지며, 박막구조의 거대세포는 6원자 층으로 구성되어 있고 각각의 표면에 각각 3진공 층을 두어 서로간의 상호작용이 없도록 하였다. 격자 결정의 퍼텐셜과 전하밀도의 모양 수정은 가하지 않았다.

이론/모형

밀도 범 함수 이론 하에 제일 원리적인 국소 밀도 근사법인 full-potential linear muffin-tin orbital(FPLMTO) 계산방법을 사용하였다[12-13]. 계산에 사용된 거대 단위 세포는 32개의 원자가 wurtzite 구조를 가지며, 박막구조의 거대세포는 6원자 층으로 구성되어 있고 각각의 표면에 각각 3진공 층을 두어 서로간의 상호작용이 없도록 하였다.
가전자는 스핀-궤도의 상호 작용을 배제한 준 상대론적(semi-relativistic)으로 취급하였다. 상호교환 퍼텐셜은 Wang 과 Perderw가 제안한[14] 국소 스핀밀도 근사(local spin-density approximation; LSDA)와 Perdew-Burke-Ernzerhof 방법의[15] generalized gradient approximation(GGA)법을 사용하였다.

성능/효과

따라서, 농도가 증가함에 따라 강자성의 특성이 사라지는 (비자성) 상전이가 일어나다. 결론적으로, AlN 내에 Cu의 공간 결합 형태(clustering)를 더욱 세밀한 계산 결과가 필요하지만, 매우 낮은 거의 Cu원자가 독립적으로 존재할 때 스핀 편극이 일어난다. Cu도핑원자가 나노크기의 덩어리(nanosized clusters)에서 강자성의 특성이 아주 약해지거나 자성 특성은 사라질 것이다.
6013 으로 최적화 과정을 통하여 그 값을 얻었다. 불순물 원자가 도핑되지 않은 순수 AlN 의 격자 상수에 비하여 농도가 6.25% 와 12.5%의 농도에서 거대 단위세포는 각각 0.3% 와 0.2% 정도 수축되는 결과를 보였다. 이에 대한 결과는 그림 2에서 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체AlN의 에너지 갭은?	반도체AlN는 에너지 갭이 6.3 eV으로 매우 크다. 따라서 고전압, 고전력 전자소자에서 절연 게이트로 사용되고 있다.
	AlN 내에 2개의 Cu 원자가 있을 때, c-축 방향의 인접하는 2개의 Cu가 자리할 때 Cu의 자기모멘트는?	AlN 내에 2개의 Cu 원자가 있을 때 즉, 농도가 12.5%일 때, c-축 방향의 인접하는 2개의 Cu가 자리할 때 Cu 의 자기모멘트가 0.127µB 이고 동일한 평면 내에 인접하는 2개의 Cu 원자가 자리할 때 자기모멘트는 0.296µB 이다.
	반도체AlN의 높은 에너지 갭으로 인하여 어디에 사용되고 있는가?	3 eV으로 매우 크다. 따라서 고전압, 고전력 전자소자에서 절연 게이트로 사용되고 있다. 높은 열전도도와 화학적 안정성을 가지며 가시영역에서 적외선 영역에 걸쳐 높은 투명성(transparence)을 가진다.

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