초록 ▼

실온의 강자성반도체 개발을 위해서 고온 큐리온도가 예상되는 물질 중 질화물 및 산화물계를 선택하여 전이금속을 도핑하고, 그 도핑 량에 따라 나타나는 미세전자구조 및 전자기적 특성을 연구하고자 한다. 한편, III-V 족 질화물계에 3d 전이금속을 도핑하고 그 첨가량에 따라 나타나는 미세구조 및 전자기적 특성을 연구한다. 실온 강자성반도체 특성을 지니기 위한 최적조건과 방법을 찾아내고 전이금속의 도핑으로 인한 특성들을 체계적으로 연구하여 현상론적인 메커니즘을 규명하기위하여 최대한의 기초적인 지식을 축적하고자 한다.
Co 혹은 F

실온의 강자성반도체 개발을 위해서 고온 큐리온도가 예상되는 물질 중 질화물 및 산화물계를 선택하여 전이금속을 도핑하고, 그 도핑 량에 따라 나타나는 미세전자구조 및 전자기적 특성을 연구하고자 한다. 한편, III-V 족 질화물계에 3d 전이금속을 도핑하고 그 첨가량에 따라 나타나는 미세구조 및 전자기적 특성을 연구한다. 실온 강자성반도체 특성을 지니기 위한 최적조건과 방법을 찾아내고 전이금속의 도핑으로 인한 특성들을 체계적으로 연구하여 현상론적인 메커니즘을 규명하기위하여 최대한의 기초적인 지식을 축적하고자 한다.
Co 혹은 Fe 이온을 ZnO 와 GaN에 주입한 후 구조적 특성, 자기적 특성과 전달특성을 XRD, EXAFS, SQUID, XPS 와 Hall measurements로 측정하였다. Co 이온이 주입된 ZnO에서는 50 K까지 자성반도체 특성으로 Anomalous Hall Effect가 나타나고 있으며, 이는 Co가 Zn를 대치한, Zn_1-^x{Co}_xO 상으로부터 기인됨을 밝혀내었다. 한편 Fe 이온이 주입된 ZnO에서는 5K에서 300K 영역에 걸쳐 금속전하수송 특성을 지니고 있으며, 이는 de-localized 된 전하 상태로 설명될 수 있다. Co 이온이 주입된 GaN의 상자성 특성은 Co와 CoGa의 자성 클러스터로부터 기인된 것으로 볼 수 있다. PLD법으로 성장시킨 Mn:ZnO 박막의 자성특성과 자기저항은 SQUID를 사용하여 5K에서 340 K까지 변화시키면서 측정하였다. 모든 박막은 실온 이상에서 강자성특성을 띠고 있다. 강자성의 근원은 270K 이상에서는 ZnMn2O4로부터, 그리고 50K 에서 270K까지는 Mn이 Zn를 대치한 Zn_1-xMnxO 상에서, 그리고 50K 이하에서는 Mn3O4 상으로부터 나타냄을 밝혀내었다. 이론계산을 통하여서는 산화물 ZnO 내부에 V 및 Mn 불순물의 농도에 따른 에너지 띠간격의 변화 및 자성특성을 조사하였다. Zn_1-xMnxO (M=V and Mn) 이고, x = 0.083에서 반자성의 특성을 나타낸다. V이 도 핑된 ZnO에서는, Zn 나 O 상태의 결함과 도핑물질과의 강한 상호작용이 있다. (Al,Cr)N의 경우 에너지 띠 간격의 변화는 농도가 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소함을 보였다. 반금속 특성은 Cr 농도가 0.166에서 사라지지만, (In,Cr)N 의 경우 이농도에서 반금속 성질이 유지되는 특성을 보였다. 한편, 농도에 대한 에너지 띠 간격의 변화는 선형적으로 감소함을 보였다.
Co 이온을 ZnO에 주입한 후 구조적 특성, 자기적특성 및 전달특성에서, Co가 Zn를 대치한, Zn_1-^x{Co}_xO 상에서 50K까지 묽은 자성반도체 특성을 나타냄을 밝혀내었다. 한편 PLD법에 제작한 Mn이 도핑된 ZnO 박막에서는 강자성 특성의 근원은 270K 이상 에서는 ZnMn2O4로부터, 그리고 50K 에서 270K에서는 Mn이 Zn를 대치한Zn_1-xMnxO 상에서 그리고 50K 이하에서는 Mn3O4 상으로부터 기인됨을 밝혀내었다.ZnO 내부에 자성금속 V 및 Mn 이 저농도로 존재할 때와 Zn 혹은 O 원자의 결함에 따른 전자적 구조 및 자성의 변화, 에너지 띠 간격의 변화 메카니즘을 확인하였다. 질화물 반도체 AlN, InN 계와 AlAs 및 GaAs 내에 Cr 불순물의 농도에 따른 전자적 구조 계산하여 불순물 농도에 따른 에너지 띠 간격 변화의 특성과 자성 특성의 메카니즘을 밝혀내었다. 이러한 실험 및 이론계산결과는 스핀소자개발에 기초적 자료를 제공하리라 기대된다. 또한 이에 대한 연구결과들은 이 분야 국제전문학술지등에 등재되었다.

Abstract ▼

Our aim is to develop a ferromagnetic semiconductor to be operational at room temperature. To fulfil this aim, transition metals will be doped to nitrate and oxide semiconductor materials, which have high Curie temperature, and then micro-structure, electric and magnetic properties will be studied a

Our aim is to develop a ferromagnetic semiconductor to be operational at room temperature. To fulfil this aim, transition metals will be doped to nitrate and oxide semiconductor materials, which have high Curie temperature, and then micro-structure, electric and magnetic properties will be studied as a function of doping amount of transition metals.
The structural, magnetic and transport properties of Co and Fe-ion-implanted ZnO and GaN were investigated by using XRD, EXAFS, SQUID, XPS and Hall measurements. The strong Anomalous Hall Effect, further confirming diluted magnetic semiconductor properties with intrinsic ferromagnetism, was observed up to 50 K, which could be induced from the Zn_1-^x{Co}_xO phase. In the case of Fe ion implanted ZnO, ferromagnetic properties were observed above room temperature for annealed samples at 700℃. The MR curve showed negative slope throughout the whole temperature range, and it seems to be in the delocalized d state of metallic ZnO single crystalline. In the case of Co ion-implanted GaN films, annealed at 700 °C-900°C, showed superparamagnetic features. it could be explained by the fact that the magnetic property in our films originated from the Co and CoGa magnetic clusters. Crystalline structure, magnetic and transport properties of Mn doped ZnO thin films grown on SiO_2 and sapphire substrate by using pulsed laser deposition system were investigated. In the all of MnZnO samples, ferromagnetism was observed above room temperature. EXAFS results show that the Mn atoms substituted into the sites of Zn, and suggest that the interaction among Mn atoms could play an important role in the ferromagnetism of these samples. The correlation between ferromagnetic properties and local structure is under investigation. The magnetic and electronic properties of V- and Mn-doped hexagonal ZnO and cubic GaN were studied by using the full-potential linear muffin-tin orbital method. The calculations are made at several concentrations from about 4% to 12% of dopant atoms in the 48 and 64 atoms supercell for ZnO and GaN, respectively. For Zn_1-xMxO (M=V and Mn) at x = 0.083 (pair impurities), the energetically favorable magnetism is the antiferromagnetic states. For V-doped ZnO with defects, the results show that it is strongly correlated between the energy states by the defect of Zn or O site and those by V impurity in ZnO.
In the Co-ion-implanted ZnO, the strong Anomalous Hall Effect, further confirming diluted magnetic semiconductor properties with intrinsic ferromagnetism, was observed up to 50K, which could be induced from the Zn_1-^x{Co}_xO phase. Mn doped ZnO thin films grown on SiO_2 and sapphire substrate by using pulsed laser deposition system were investigated. In the all of MnZnO samples, The exhibited ferromagnetism originated from Mn atoms substituted into the sites of Zn, and it suggests that the interaction among Mn atoms could play an important role in the ferromagnetism of these samples. This research results should be useful to the magnetic ion injected dilute magnetic semiconductors, which could replace the present industry in the next generation.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문 ...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문 ...4
• 2. 영문요약문 ...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론 ...6
• 2. 연구방법 및 이론 ...8
• 3. 결과 및 고찰 ...11
• 4. 결론 ...55
• 5. 인용문헌 ...57
• 6. 연구성과 ...59