금속 절연체 전이 소자 제작을 위한 물리적 기상 증착법 기반의 VO2 박막 제조 및 특성 평가 연구
The study of Vanadium Dioxide Thin Film using Physical Vapor Deposition for Metal to Insulator Transition Devices
- 주제(키워드) 금속절연체 , VO2박막제조
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031322
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
현재의 연구흐름으로는 기존의 Si 기반 반도체 채널의 Boltzmann Limit를 극복하고, 초 저전압의 FET을 구현하고자 하는 노력이 계속되고 있다.[1–3] 이를 달성하기 위해 Mott 전이를 이용할 수 있음이 최근 여러 연구를 통해 입증되기 시작하였으며, 상대적으로 낮은 외부 자극에 의해 물질의 집단적 거동의 변화를 일으킬 수 있는 Vanadium oxide 물질이 주목받고있다. 다양한 화학양론비의 Vanadium oxide 중에서 VO2는 상전이 온도가 68℃로서, 상온 근처에서 제어가 가능하며, 초고속 스위칭 특성, 기하급수적 전류증가라는 여러 장점을 가지므로 많이 연구되고 있다. 하지만, 화학양론비 제어가 까다롭고, 균일한 대면적 VO2 박막의 성장이 어렵다는 점을 극복해야 한다. 이 논문에서는 고품질 대면적 VO2 박막을 형성하기 위한 해결책을 제시하고, 소자로서의 응용가능성을 보여준다. 첫째로, RF magnetron sputter와 E-beam evaporator 를 사용하여 VO2를 형성한 후, 전기적 성능을 비교하였다. Sputter로 제작된 샘플의 경우에는 3일이 지난 후, MIT 특성이 사라졌으며, 안정성이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. E-beam evaporator의 경우에는 1달뒤에 동일 지점을 측정했을 시에도, 뚜렷하고 재현성 있는 결과를 얻었다. E-beam evaporator를 사용해 Vanadium metal 을 선 증착한 후, 산소 유량과 열처리 온도, 시간을 제어하여 최적의 Vanadium oxide film 제조에 성공했다. 둘째로, Si/VOx 사이의 계면 mixing을 줄이기 위해서, Vanadium metal dot을 native oxide 하부에 형성시켜준 후, 열처리 과정에서 우선적으로 native oxide와 반응하는 layer를 만들어 줌으로서, Si과 VOx 사이의 direct interface mixing을 줄일 수 있었다. 이러한 아이디어는 바나듐 산화물 뿐만 아니라, 다양한 산화물 계열에서 계면 mixing 문제를 줄이기 위한 해결책으로 사용될 수 있다. 마지막으로, Si/VO2 소자의 응용가능성을 확인하기 위해서 빛을 가해주면서 측정을 진행했다. 다양한 세기의 빛을 가해주면서 MIT가 발생하는 전압을 측정했을 시, 빛의 세기가 강했을 시 MIT 가 발생하기 위해 필요한 임계 에너지가 작아지므로 MIT 전압이 감소하는 것을 확인했다. 또한 MIT 전압이 바뀜에 따라 히스테리시스 루프의 면적도 바뀌는 것을 확인했으며, 이에 따라 센서, 메모리 소자 로서의 기능이 가능하며 더 나아가서 프로세싱의 기능도 수행하는 것을 확인했다. 결론 지으면, 차세대 반도체 소자의 혁신을 위해서는 새로운 물질의 선택이 필수적인 상황에 도달했다. VO2가 새로운 물질의 후보로 거론되고 있으며, 본 연구에서 고품질 대면적 VO2 형성 기술, 계면 mixing의 감소를 활용하여 Si 기반 device와의 원활한 통합이 가능함을 보여주었다. 이 연구를 통해서 차세대 저전력 소자의 개발에 있어서 VO2 대면적 증착 공정의 접목성을 재고해보고, 연구 결과가 VO2 상전이 연구에 대한 초석이 되길 기대한다.
more목차
제 1장 서 론 1
1 차세대 반도체를 위한 신소재 연구의 필요성 1
2 이론적 배경 4
가. Vanadium dioxide (VO2) 4
나. VO2 Metal-Insulator Transition 5
다. 투과전자 현미경(TEM) 8
라. X선 광전자 분광법 8
마. 전도성 원자력 현미경 (c-AFM) 10
바. 라만 분광법 (Raman spectroscopy) 11
제 2장 Sputter, E-beam 을 통한 VO2 Film 제조 및 특성 비교 13
1 서론 13
2 실험 방법 14
가. RF magnetron Sputtering 14
나. Vanadium E-beam evaporation 14
다. Rapid Temperature Annealing 15
3 실험 결과 및 고찰 16
가. 전기적 특성 분석 (Sputtering) 16
나. 전기적 특성 분석 (E-beam evaporation) 17
다. 안정성 평가 18
4 결론 19
제 3장 High quality VO2 thin film 제조 및 interface mixing reduction 20
1 서론 20
2 실험 방법 21
가. 기판 준비 21
나. Vanadium E-beam evaporation 21
다. Rapid Temperature Annealing 21
라. Measurement method 22
3 실험 결과 및 고찰 23
가. TEM-EDS analysis 23
나. XPS analysis 25
다. depth별 조성 분석 26
라. 전기적 특성 분석 (Bulk) 28
마. 전기적 특성 분석 (Nano scale) 30
바. 라만 분석 (Raman spectroscopy) 32
4 결론 33
제 4장 메모리 및 뉴로모픽 센싱소자 34
1 서론 34
2 실험 방법 36
가. VO2/Si 소자 제작 및 Topography 측정 36
나. Bulk electrical measurement 36
다. Local probe measurements 36
라. 시뮬레이션 37
3 실험 결과 및 고찰 37
가. 계면 분석 및 화학적 조성 분석 37
나. 광 전기적 특성 분석 40
다. Nano scale 특성 및 인체 유사 거동 44
라. 센서, 메모리, 프로세싱 소자로서의 적용 50
4 결론 53
제5장 결론 54
제6장 Supporting Figure 56
참고문헌 64
