복합 산화물 기반 이차원 전자 시스템 의 저주파 잡음 특성
Low-Frequency Noise Characteristics of Two- Dimensional Electronic Systems in Oxide Heterostructures
- 주제(키워드) Low-frequency noise , Charge trapping , 2D electron gas , Oxide heterostructures
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이형우
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034623
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
이 논문은 복합 산화물 이종구조를 기반으로 한 준이차원 전자 시스템 (quasi-2D electron systems)의 저주파 잡음 특성을 분석하여 전하 포획 메커니즘과 관련된 전자 동역학을 이해하는 데 목적이 있다. 저주파 잡 음은 산화물 기판 내 점 결함으로 인한 전하의 포획과 방출 과정에서 발 생하며, 이러한 잡음 특성 연구를 통해 산화물 기반 전자소자의 성능 향 상에 기여할 수 있다. 본 연구는 SrTiO₃(STO) 표면의 준이차원 전자 가 스(2DEG), LaAlO₃/KTaO₃(LAO/KTO) 계면의 2DEG, 그리고 SrRuO₃/SrTiO₃(SRO/STO) 이종구조의 세 가지 시스템을 대상으로 하였 다. 각 시스템에서 전류 파워 스펙트럼 밀도(PSD)를 측정하고 분석하여 잡음 특성과 그 메커니즘을 연구하였다. STO 표면에서 형성된 준이차원 전자 가스(2DEG)는 전류 파워 스펙트럼 밀도(PSD)가 1/fa의 형태를 나타내며, α 값이 약 1.39로 측정되었다. 이 α 값은 전자와 산소 공공(oxygen vacancies)의 깊이 분포가 서로 일치하 지 않는 비균일성을 반영한다. 산소 공공은 STO 기판에서 전자를 포획 할 수 있는 주요 결함으로, 이들의 깊이 위치가 전하 트래핑 속도에 영 향을 미친다. 깊은 곳에 위치한 산소 공공은 전자를 포획하는 데 더 많 은 시간이 필요하며, 이로 인해 발생하는 잡음은 낮은 주파수에서 로렌 츠 성분(Lorentzian component)을 형성한다. 반면, 얕은 위치에 존재하는 산소 공공은 상대적으로 빠른 트래핑을 유발하여 높은 주파수에서의 잡 음 성분에 기여한다. 이러한 메커니즘은 PSD 스펙트럼이 형태로 나타나 며, α 값이 1.0보다 큰 원인을 설명한다. Amorphous LAO/KTO 계면에서 는 PSD 스펙트럼이 1/f 형태를 따르지만, 약 1 kHz 근처의 높은 주파수 영역에서 로렌츠 성분이 나타난다. 이는 비정질 LAO 층이 추가적인 얕 은 전하 트래핑 사이트를 제공하기 때문이다. 비정질 LAO 층의 이온화 된 결함은 KTO 기판의 산소 공공과는 달리 계면 근처에서 전자를 빠르 게 트래핑할 수 있는 역할을 한다. 하지만 PSD 값이 상대적으로 낮은 점 에서 알 수 있듯이, 이러한 비정질 층의 결함은 KTO 내부의 산소 공공 보다 트래핑에 미치는 영향이 제한적이다. 산소 결핍 조건에서 준비된 샘플의 경우, 이러한 로렌츠 성분이 사라지고 전형적인 1/f 잡음 형태를 나타낸다. 이는 산소 공공이 주요 트래핑 사이트로 작용함을 강조한다. SRO/STO 이종구조의 경우, PSD 스펙트럼은 1/f 형태를 따르면서도 낮은 주파수 영역에서 로렌츠 성분이 두드러지게 나타났다. 이는 SRO와 STO 계면에서의 밴드 밴딩(band bending) 현상으로 인해 계면 근처의 전하 트래핑이 억제된 결과로 해석된다. 밴드 밴딩은 계면 근처의 결함 에너 지 준위를 약간 상승시키며, 이는 전자가 트래핑 사이트로 터널링하는 확률을 낮추어 빠른 트래핑 과정을 억제한다. 대신 깊숙이 위치한 산소 공공에 의해 발생하는 느린 트래핑 현상이 PSD에 더 큰 영향을 미친다. 그러나 산소 공공이 많을 경우, 높은 밀도의 산소 공공이 계면 근처에서 도 트래핑을 유도하여 이러한 밴드 밴딩 효과를 상쇄하며 1/f 잡음 형태 를 복원한다. 이로부터 PSD의 주파수 의존성을 통해 산소 공공의 분포와 전하 트래핑 메커니즘을 더욱 명확히 이해할 수 있다. 이 연구는 전하 트래핑 메커니즘과 PSD 스펙트럼에서 나타나는 주파수 의존성을 체계적으로 분석하여, 복합 산화물 이종구조 내 전하 포획 현 상을 설명한다. 또한, 이러한 분석을 통해 잡음 특성이 전자의 이동 및 전하 밀도에 미치는 영향을 이해할 수 있다. 결론적으로, 이 논문은 노이 즈 스펙트로스코피(Noise spectroscopy)을 활용해 복합 산화물 이종구조 에서의 결함과 전자 동역학을 연구하는 데 중요한 통찰을 제공하며, 산 화물을 기반으로 한 소자의 설계 및 최적화에 기여할 수 있는 가능성을 제시한다.
more목차
제 1 장 1
1.1. 서론 1
제 2 장 4
2.1. 사용 물질 및 합성 4
2.2. 잡음 측정 6
제 3 장 7
3.1. 산화물 이종구조에서의 전하 포획과 저주파 잡음 7
3.2. SrTiO3 표면에서의 준 이차원 전자 가스 10
3.1. 비결정질 LaAlO3/KTaO3 계면에서의 준 이차원 전자 가스 13
3.2. SrRuO3 초박막에서의 준 이차원 전자 가스 16
제 4 장 19
4.1. 결론 19
참고문헌 20
