KR102519204B1 - Method for Controlling Threshold Voltage By Cation Exchange of Calcogenides - Google Patents
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Abstract
본 발명은 칼코겐화물의 양이온 치환을 통해 소자의 임계 전압을 조절하는 방법으로서, (a) 양이온 치환된 칼코겐화물의 원자 구조를 SQS (Special Quasi-random Structure) 방법으로 모델링하는 단계; (b) APCF (Atomic Pair Correlation Function)를 계산하여 상기 모델링한 원자 구조에서 양이온 치환이 균질하게 이루어지는지 확인하는 단계; (c) 혼합 깁스 프리에너지 (Gibbs free energy of mixing)을 계산하여 양이온 치환이 열역학적으로 용이한지를 확인하는 단계; (d) 칼코겐화물의 양이온 치환 조성에 따른 밴드 갭(band gap)을 계산하는 단계; 및 (e) 밴드 갭에 따른 임계 전압(Vth)을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 열역학적으로 안정한 선택 소자용 칼코겐화물 소재의 설계법을 제공함과 동시에 소재의 전자 구조를 정량적으로 변조함으로서 선택 소자에서의 임계 전압을 체계적으로 변조할 수 있다. The present invention is a method for controlling the threshold voltage of a device through cation substitution of a chalcogenide, comprising: (a) modeling the atomic structure of a cation-substituted chalcogenide by a Special Quasi-random Structure (SQS) method; (b) calculating an Atomic Pair Correlation Function (APCF) to determine whether cation substitution is homogeneous in the modeled atomic structure; (c) determining whether cation substitution is thermodynamically easy by calculating Gibbs free energy of mixing; (d) calculating a band gap according to the cation substitution composition of the chalcogenide; and (e) deriving a threshold voltage (V th ) according to the band gap. According to the present invention, it is possible to systematically modulate the threshold voltage in the selection element by quantitatively modulating the electronic structure of the material while providing a method for designing a thermodynamically stable chalcogenide material for the selection element.
Description
본 발명은 칼코겐화물의 양이온 치환을 통한 임계 전압의 조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling threshold voltage through cation substitution of a chalcogenide.
최근 인공 지능과 머신 러닝의 발전에 따라 사람의 뇌구조를 모사한 차세대 반도체 소자인 뉴로몰픽 소자가 큰 관심을 받고 있다. 이러한 뉴로몰픽 소자에서 가장 중요한 것은 On/Off current를 효과적으로 제어하는 것이다. On/Off current를 제어하고 누설 전류(sneak current)를 최소화하기 위하여 메모리 소자와 함께 선택 소자를 사용할 수 있다. 이러한 선택 소자로는 문턱(threshold) 스위칭 선택 소자가 낮은 전압 영역에서 매우 낮은 양의 전류 흐름을 보이고 특정 전압 이상에서 급격한 전류 상승을 보여, 가장 이상적인 선택소자의 특성을 가지는 것으로 보고되고 있다.Recently, with the development of artificial intelligence and machine learning, neuromorphic devices, which are next-generation semiconductor devices that mimic the structure of the human brain, are receiving great attention. The most important thing in these neuromorphic devices is to effectively control the On/Off current. A selection device may be used together with a memory device to control on/off current and minimize leakage current. As such a selection element, a threshold switching selection element shows a very low current flow in a low voltage region and a rapid current rise above a specific voltage, and is reported to have the most ideal selection element characteristics.
문턱 스위칭 선택소자에는 산화물의 금속-절연체 전이 현상(MIT)을 이용한 NbOx, VOx 등의 산화물 기반의 문턱 스위칭 선택소자와 칼코겐화물 물질의 오보닉(Ovonic) 문턱 스위칭 특성(OTS) 이용한 칼코겐화물 물질 기반의 문턱 스위칭 선택소자가 연구되고 있다. 이 중 OTS 소자는, Ioff가 더 낮은 장점을 가지는 등의 다양한 장점들 때문에 주목을 받아왔다. The threshold switching selection device includes oxide-based “threshold” switching selection devices such as NbOx and VOx using the metal-insulator transition phenomenon (MIT) of oxide and chalcogenide using “ovonic threshold” switching characteristics (OTS) of chalcogenide materials. A material-based threshold switching selector is being studied. Among them, the OTS device has attracted attention due to various advantages such as having a lower Ioff.
OTS 소자를 구성하는데 있어서, 소자 구성에 사용되는 소재, 즉, 칼코겐화물 소재를 적절히 활용하는 것이 On/Off current를 구분짓는 임계전압 (threshold voltage, Vth)의 조절에 핵심적인 요소이다. 그러나, 종래 기술에서는 선택 소자에 사용되는 칼코겐화물 소재의 종류가 제한적이었고, 이러한 소재 중에서 우수한 선택 소자 성능을 나타내는 소재를 설계하기는 수많은 시행 착오가 필요한 어려움이 있었다. 또한, 소재의 band gap이 임계전압과 어떤 상관관계를 이루고 있음은 여러 보고를 통해 알려졌지만, 정량적으로 어떤 관계가 있는지에 대한 연구도 많이 부족한 상황이다.In constructing an OTS device, appropriate use of a material used in device construction, that is, a chalcogenide material, is a key factor in controlling the threshold voltage (Vth) that distinguishes On/Off current. However, in the prior art, the types of chalcogenide materials used in the selection element were limited, and it was difficult to design a material exhibiting excellent selection element performance among these materials, requiring a lot of trial and error. In addition, it has been known through various reports that the band gap of a material has a certain correlation with the threshold voltage, but there is a lack of research on the quantitative relationship.
본 발명의 목적은 칼코겐화물을 소재로 하는 OTS 소자와 같은 선택 소자의 문턱 전압을 정량적으로 제어하는 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method for quantitatively controlling the threshold voltage of a selection device such as an OTS device made of chalcogenide.
본 발명의 일 양태에 따르면, 칼코겐화물의 양이온 치환을 통해 소자의 임계 전압을 조절하는 방법으로서, (a) 양이온 치환된 칼코겐화물의 원자 구조를 SQS (special quasi-random struture) 방법으로 모델링하는 단계; (b) APCF (atomic pair correlation function)를 계산하여 상기 모델링한 원자 구조에서 양이온 치환이 균질하게 이루어지는지 확인하는 단계; (c) 혼합 깁스 프리에너지 (Gibbs free energy of mixing)을 계산하여 양이온 치환이 열역학적으로 용이한지를 확인하는 단계; (d) 칼코겐화물의 양이온 치환 조성에 따른 밴드 갭(band gap)을 계산하는 단계; 및 (e) 밴드 갭에 따른 임계 전압(Vth)을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, as a method for controlling the threshold voltage of a device through cation substitution of chalcogenide, (a) modeling the atomic structure of cation-substituted chalcogenide by a special quasi-random structure (SQS) method doing; (b) calculating an atomic pair correlation function (APCF) to determine whether cation substitution is homogeneous in the modeled atomic structure; (c) determining whether cation substitution is thermodynamically easy by calculating Gibbs free energy of mixing; (d) calculating a band gap according to the cation substitution composition of the chalcogenide; and (e) deriving a threshold voltage (Vth) according to the band gap.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계는, 양이온 치환 조성에 따른 격자 상수가 Vegard's law 에 따라 선형이 되도록 조절한 후 원자 구조를 SQS 방법으로 모델링하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, in the step (a), the atomic structure may be modeled by the SQS method after adjusting the lattice constant according to the cation substitution composition to be linear according to Vegard's law.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 칼코겐화물 모재는 zinc blende 결정 구조 또는 wurtzite 결정 구조를 가지는 ZnTe 이고, 양이온 치환에 의해 다음의 화학식 1을 갖는 것일 수 있다:According to another embodiment of the present invention, the chalcogenide matrix may be ZnTe having a zinc blende crystal structure or a wurtzite crystal structure, and may have the following Chemical Formula 1 by cation substitution:
[화학식 1][Formula 1]
Zn1-xMxTe Zn 1-x M x Te
상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 1 이고, M 은 Be, Mg, Ca, 또는 이들의 혼합물이다.In
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 APCF 가 0.9 초과인 경우 및 (c) 단계에서 혼합 깁스 프리에너지가 0 미만인 경우에 각각 (c) 단계 및 (d) 단계를 후속적으로 수행하며, APCF가 0.9 이하이거나 혼합 깁스 프리에너지가 0 이상인 경우에는 후속 단계를 수행하지 않고 (a) 단계를 반복하여 원자 구조를 다시 모델링할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, when APCF is greater than 0.9 in step (b) and when the mixed Gibbs free energy is less than 0 in step (c), steps (c) and (d) are sequentially performed, respectively. , and when the APCF is 0.9 or less or the mixed Gibbs free energy is 0 or more, the atomic structure can be remodeled by repeating step (a) without performing the subsequent steps.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 방법은 칼코겐화물의 밴드 갭과 임계 전압 사이의 상관관계를 선형 회귀 분석에 의해 도출하는 단계를 추가로 더 포함하며, 상기 (e) 단계는 상기 선형 회귀 분석에 의해 도출된 상관관계에 기초하여 수행될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the method further comprises the step of deriving a correlation between the band gap of the chalcogenide and the threshold voltage by linear regression analysis, wherein the step (e) is the linear It can be performed based on correlations derived by regression analysis.
본 발명에서는, 아연텔룰라이드에서 아연을 알칼리 토금속, 예를 들어 Be, Mg, Ca과 치환함으로서 열역학적으로 안정한 소재 설계법을 제공함과 동시에 소재의 전자 구조를 정량적으로 변조함으로서 임계전압을 체계적으로 변조하는 방법이 제공된다.In the present invention, a method for systematically modulating the threshold voltage by quantitatively modulating the electronic structure of the material while providing a thermodynamically stable material design method by substituting zinc with an alkaline earth metal such as Be, Mg, and Ca in zinc telluride. is provided.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 임계 전압 조절 방법의 각 단계를 도시한 일 순서도이다.
도 2는 ZnTe의 원자 결정 구조를 나타낸다. 도 2의 (a)가 zinc blende(ZB) 구조이고 (b)가 wurtzite (WZ) 구조이며, (c)는 ZB 상의 칼코겐화물 합금을 다양하게 조성화하는데 사용되는 원자 슈퍼셀(atomic supercell) 모델을 나타낸다. 도 2에서 파란색 구, 노란색 구, 오렌지색 구는 각각 Zn, 2족 원소 (Be, Mg, 및 Ca), 및 Te 원자를 나타낸다.
도 3은 Zincblende 결정 구조 및 Wurtzite 결정 구조에서 Vegard's law에 따라 조절된 격자 상수를 나타낸다.
도 4는 SQS 방법으로 모델링한 원자 구조에서 양이온 치환 조성에 따른 APCF 값을 나타내는 그래프이다. 도 4에서 ZB는 zincblende 결정 구조, WZ는 wurtzite 결정 구조, ideal은 이상 값을 나타낸다.
도 5는 혼합 깁스 프리에너지 △Gmix를 계산하여 나타낸 그래프로서, (a)는 Zn1-xBexTe, (b)는 Zn1-xMgxTe, (c)는 Zn1-xCaxTe 이다. 실선은 ZB 결정 구조, 점선은 WZ 결정 구조의 에너지이며, 파란색 선은 0K, 하늘색은 300K, 노란색은 600K, 빨간색은 900K에서의 에너지를 나타낸다.
도 6은 (a)는 ZB 및 WZ 결정 구조의 Zn1-xMxTe (M = Be, Mg, 및 Ca)에 대해 밴드 갭 에너지 εgap (eV 단위)을 조성 x의 함수로서 나타낸 것이다. (b) 는 왼쪽에서 오른쪽까지, 2종 텔룰라이드 ZnTe, BeTe, MgTe, 및 CaTe 의 원소- 및 오비탈-해결(resolved) 부분 상태밀도(partial density-of-states, pDOS)이다. (c)는 Zn1-xMgxTe 합금의 선택된 조성 (즉, x = 7/17, 14/27, 20/27) 에 대한 pDOS 이다. (c)에서 작은 삽도는 원자가 밴드(valance band)의 최상부를 확대한 것이다. 모든 에너지는 진공 수준 (0 eV)에 대해 정렬한 것이다. 검은색의 수평 점선은 원자가 밴드 최대 (valence band maximum, VBM) 및 전도 밴드 최소 (conduction band minimum, CBM)을 나타낸다.
도 7은 밴드 갭 εgap 의 함수로서 임계 전압 Vth을 나타낸 선형 모델이다. 붉은색 원, 파란색 원, 하늘색 원 및 검은색 다이아몬드는 실험 보고서에서 얻은 실험 값을 나타내고, GexSe1-x, Ga2Te3, 및 ZnxTe1-x 에 대해 선행 회귀 분석으로 얻은 것은 보라색, 하늘색, 및 회색 점선으로 각각 나타내었으며, 이들은 대응하는 R2 값이 0.77, 0.98, 및 0.70 이었다.1 is a flowchart illustrating each step of a method for adjusting a threshold voltage according to an embodiment of the present invention.
2 shows the atomic crystal structure of ZnTe. 2, (a) is a zinc blende (ZB) structure, (b) is a wurtzite (WZ) structure, and (c) is an atomic supercell model used to variously compose chalcogenide alloys on ZB. indicates In FIG. 2 , blue spheres, yellow spheres, and orange spheres represent Zn,
Figure 3 shows the lattice constants adjusted according to Vegard's law in the Zincblende crystal structure and the Wurtzite crystal structure.
4 is a graph showing APCF values according to cation substitution composition in an atomic structure modeled by the SQS method. In FIG. 4, ZB represents a zincblende crystal structure, WZ represents a wurtzite crystal structure, and ideal represents an ideal value.
Figure 5 is a graph showing the calculated Gibbs free energy ΔG mix, (a) is Zn 1-x Be x Te, (b) is Zn 1-x Mg x Te, (c) is Zn 1-x Ca x is Te. The solid line is the energy of the ZB crystal structure, the dotted line is the energy of the WZ crystal structure, and the blue line represents the energy at 0 K, light blue at 300 K, yellow at 600 K, and red at 900 K.
6 (a) shows the band gap energy ε gap (in eV) as a function of composition x for Zn 1-x M x Te (M = Be, Mg, and Ca) of ZB and WZ crystal structures. (b) are the element- and orbital-resolved partial density-of-states (pDOS) of the two tellurides ZnTe, BeTe, MgTe, and CaTe, from left to right. (c) is the pDOS for selected compositions (ie x = 7/17, 14/27, 20/27) of the Zn 1-x Mg x Te alloy. The small inset in (c) is an enlargement of the top of the valance band. All energies are aligned with respect to the vacuum level (0 eV). Black horizontal dotted lines represent the valence band maximum (VBM) and conduction band minimum (CBM).
7 is a linear model showing the threshold voltage V th as a function of the band gap ε gap . Red circles, blue circles, light blue circles, and black diamonds represent experimental values obtained from experimental reports, and those obtained by prior regression analysis for Ge x Se 1-x , Ga 2 Te 3 , and Zn x Te 1-x It is indicated by purple, light blue, and gray dotted lines, respectively, and these have corresponding R 2 values of 0.77, 0.98, and 0.70.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that it may further include other components unless otherwise specifically defined.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 임계 전압 조절 방법의 각 단계를 도시한 일 순서도이다.1 is a flowchart illustrating each step of a method for adjusting a threshold voltage according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 양이온이 칼코겐화물 모재(base material)에 가장 이상적으로 균질하게 섞이도록 원자 구조를 모델링하는 것으로 시작한다 (도 1에서 단계 S110 내지 단계 S120). 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 칼코겐화물 모재는 아연텔룰라이드(ZnTe)일 수 있다. 상기 아연텔룰라이드 (ZnTe)는 선택 소자용 소재로서 매우 큰 가능성을 가지고 있는 물질 중 하나이다. 일반적으로 OTS 선택 소자용 소재는 비정질상으로 많이 쓰이는 데, 아연텔룰라이드의 경우 결정상으로도 소자 성능이 잘 유지된다고 보고되어 있다. 그러나, 아연텔룰라이드 물질을 기반으로 아연을 알칼리 토금속과 같은 양이온 치환을 통해 물성 변조하는 것에 대한 체계적인 이해, 특히 치환했을 때의 열역학적 안정성 및 전자 구조에 대한 이론적 이해가 부족하다.The present invention starts with modeling the atomic structure so that the cations are most ideally and homogeneously mixed in the chalcogenide base material (steps S110 to S120 in FIG. 1). According to one embodiment of the present invention, the chalcogenide matrix may be zinc telluride (ZnTe). Zinc telluride (ZnTe) is one of the materials with great potential as a material for a selection device. In general, materials for OTS selection devices are often used in an amorphous phase, but in the case of zinc telluride, it has been reported that device performance is well maintained even in a crystalline phase. However, there is a lack of systematic understanding of the physical properties of zinc telluride-based material through substitution of cations such as alkaline earth metals, and in particular, the theoretical understanding of thermodynamic stability and electronic structure when zinc is substituted.
본 발명의 일 구현예에 따르면 아연텔룰라이드 모재는 양이온 치환에 의해 다음의 화학식 1을 가질 수 있다:According to one embodiment of the present invention, the zinc telluride base material may have the following Chemical Formula 1 by cation substitution:
[화학식 1][Formula 1]
Zn1-xMxTe Zn 1-x M x Te
상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 1 이고, M 은 Be, Mg, Ca, 또는 이들의 혼합물이다.In
먼저, 원자 구조 모델링에 있어서 칼코겐화물에서 양이온 치환의 영향을 알아보기 위해, 순수한 ZnTe 의 원자 구조를 분석하였다(도 1의 단계 S110). First, the atomic structure of pure ZnTe was analyzed in order to examine the effect of cation substitution in the chalcogenide on atomic structure modeling (step S110 in FIG. 1).
ZnTe 는 도 2의 (a) 및 (b)에서 보는 바와 같은 2가지 결정다형을 갖는다. 즉, 아연텔룰라이드(ZnTe)의 결정 구조는 기본적으로 정육면체 zinc blende(ZB) 구조 (도 2의 (a))와 육방정계 wurtzite (WZ) 구조 (도 2의 (b))를 가질 수 있다. 도 2에서 파란색 구, 노란색 구, 오렌지색 구가 각각 Zn, 2족 원소 (Be, Mg, 및 Ca), 및 Te 원자를 나타낸다. ZB ZnTe에 대해 계산된 격자 파라미터 a 및 WZ ZnTe에 대해 계산된 격자 파라미터 a, c 는 각각 6.19, 4.36, 및 7.18 Å 이었으며, 이는 종래 실험실에서 측정한 값과도 2% 이내의 차이에서 잘 부합하였다. 유사한 방식으로 ZB와 WZ 결정 구조 모두에 대해 순수 BeTe, MgTe, 및 CaTe 의 격자 파라미터를 계산하였으며 이 값도 공지 측정값과 1.7% 차이 이내로 잘 부합하였다. 상기 2종 텔룰라이드에 대해 계산한 격자 상수에서 상대적인 값 변동은 Zn2+, Be2+, Mg2+, 및 Ca2+ 각각의 원자 반경 1.42, 1.12, 1.45, 및 1.94 Å 의 상대적 크기로부터 비롯한 것으로 이해된다. 각 결정 구조에 대해 계산한 격자 상수는 다음의 표 1 및 표 2에 나타낸다.ZnTe has two polymorphs as shown in (a) and (b) of FIG. 2 . That is, the crystal structure of zinc telluride (ZnTe) may basically have a regular hexahedral zinc blende (ZB) structure (FIG. 2(a)) and a hexagonal wurtzite (WZ) structure (FIG. 2(b)). In FIG. 2 , blue spheres, yellow spheres, and orange spheres represent Zn,
[표 1] Zn1-xMxTe (M = Be, Mg, 및 Ca) 합금에서 조성 x 의 함수로서 나타낸 격자 상수 a 계산치 (Å 단위), GGA-PBE 교환-상관성(exchange-correlation) 함수를 사용함. [Table 1] Calculated lattice constant a as a function of composition x in Zn 1-x M x Te (M = Be, Mg, and Ca) alloy (in Å), GGA-PBE exchange-correlation function used.
[표 2] Zn1-xMxTe (M = Be, Mg, 및 Ca) 합금에서 조성 x 의 함수로서 나타낸 격자 상수 a 및 c 계산치 (Å 단위), GGA-PBE 교환-상관성 함수를 사용함. TABLE 2 Calculated lattice constants a and c as a function of composition x in Zn 1-x M x Te (M = Be, Mg, and Ca) alloys (in Å), using the GGA-PBE exchange-correlation function.
다음으로, ZB와 WZ 구조에서 양이온 Zn 자리를 2족 알칼리 토금속 원소가 차지하게 함으로써 Zn1-xMxTe (여기서 M = Be, Mg, 및 Ca)의 3원 합금을 모델링하였다(도 1의 S120 단계). Next, a ternary alloy of Zn 1-x M x Te (where M = Be, Mg, and Ca) was modeled by making a
이를 위해, 먼저, ZnTe 모재에 양이온이 고용되어 Zn1-xMxTe 합금으로 될 때 원자 모델의 격자 상수가 Vegard's law를 기반으로 일정하게, 예를 들어 선형적으로, 변조되도록 조절하였다(도 1의 S121 단계). ZB 구조와 WZ 구조에서의 조절된 격자 상수는 도 3에 나타내었다.To this end, first, when cations are dissolved in the ZnTe base material to form a Zn 1-x M x Te alloy, the lattice constant of the atomic model was adjusted to be constant, for example, linearly modulated based on Vegard's law (Fig. Step S121 of 1). The controlled lattice constants of the ZB structure and the WZ structure are shown in FIG. 3 .
이와 같이 양이온 치환 조성에 따른 격자 상수가 Vegard's law 를 기반으로 선형적으로 변조되도록 설정한 후, Zn1-xMxTe 3원 합금의 구조 모델을 설계하였다 (도 1의 S121 단계). 이러한 합금 모델을 얻기 위해 특수 의사 난구조 (이하, SQS (special quasi-random structure)) 방법을 이용하였다. 이 때, ICET (integrated cluster expansion toolkit) 코드를 사용하였다. SQS 방법을 사용함으로써 모재에 양이온이 균질하게 치환되어 섞인 가장 가능성있는 배열을 얻을 수 있으며, 도 2에서 (c)는 ZB 결정 구조의 칼코겐화물을 양이온 치환하였을 때의 고용체(solid solution) 모델을 SQS 방법에 의해 얻은 결과를 슈퍼셀(supercell) 방법에 의해 예시적으로 보여준다.After setting the lattice constant according to the cation substitution composition to be linearly modulated based on Vegard's law, a structural model of the Zn 1-x M x Te ternary alloy was designed (step S121 in FIG. 1). To obtain this alloy model, a special quasi-random structure (SQS) method was used. At this time, ICET (integrated cluster expansion toolkit) code was used. By using the SQS method, the most probable arrangement in which cations are homogeneously substituted and mixed in the parent material can be obtained. In FIG. Results obtained by the SQS method are exemplarily shown by the supercell method.
이와 같이 SQS 방법에 따라 소정 결정 구조에 대한 가능성 있는 배열이 제공되면, SQS 방법에 의해 얻은 원자 구조 모델에서 양이온 치환이 균질하게 이루어졌는지를 확인한다 (도 1의 S122 단계). 이를 위해 원자 쌍 상관관계 함수 (Atomic Pair Correlation Function, APCF)를 사용함으로써 아연텔룰라이드 고용체가 얼마나 이상적으로 균질하게 섞였는가를 정량적으로 평가할 수 있다. APCF 는 다음의 [수학식 1]에 의해 계산할 수 있다:As such, if a possible arrangement for a predetermined crystal structure is provided according to the SQS method, it is confirmed whether cation substitution is homogeneous in the atomic structure model obtained by the SQS method (step S122 of FIG. 1). To this end, it is possible to quantitatively evaluate how ideally and homogeneously the zinc telluride solid solution is mixed by using the Atomic Pair Correlation Function (APCF). APCF can be calculated by [Equation 1]:
[수학식 1][Equation 1]
수학식 1에서 N 및 Dm 은 각각, m번째 쉘(mth shell)에서 원자 i와 j 사이의 양이온 격자 자리와 쌍의 수를 나타낸다. ri,j 및 Rm 은 각각, 원자 i와 j 사이의 거리 및 m번째 쉘의 반지름이다. In
10번째 쉘(10th shell) 까지를 고려하여 본 발명에 따라 모델링한 합금 구조에 대해 계산한 APCF 값을 도 4에 나타내었다. 도 4로부터 zincblende (ZB) 및 wurtzite (WZ)의 알칼리 토금속 고용체의 각 고용 농도별 APCF값이 이상(ideal) 값과 근사함을 알 수 있으며, 이는 설계한 원자 모델의 모든 조성에서 양이온 치환이 이상적으로 균질하게 이루어졌음을 의미한다.The APCF values calculated for the alloy structure modeled according to the present invention in consideration of up to the 10th shell are shown in FIG. 4. It can be seen from FIG. 4 that the APCF values for each solid solution concentration of the alkaline earth metal solid solutions of zincblende (ZB) and wurtzite (WZ) are close to the ideal values, indicating that the cation substitution is ideal in all compositions of the designed atomic model. This means that it is made homogeneously.
본 발명의 일 구현예에 따르면 만약 S122 단계에서 APCF 값이 0.9 초과이면 후속적으로 S123 단계를 수행하고, 이에 반해 APCF 값이 0.9 이하인 경우에는 S123 단계를 수행하지 않고 S121 단계로 돌아가서 S121 단계를 반복하여 SQS 방법에 의해 원자 구조를 다시 모델링할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, if the APCF value exceeds 0.9 in step S122, step S123 is subsequently performed, whereas if the APCF value is 0.9 or less, step S123 is not performed and step S121 is returned to step S121. Thus, the atomic structure can be re-modeled by the SQS method.
모델링한 원자 구조에서 양이온 치환이 균질하게 이루어진다는 것을 확인 한 후, 그러한 구조의 칼코겐화물이 용이하게 합성될 수 있는지 여부를 열역학적 안정성의 확인에 의해 판단할 수 있다 (도 1의 S130 단계). Zn1-xMxTe 합금의 열역학적 안정성의 확인은 혼합 깁스 프리에너지 (Gibbs free energy of mixing)을 계산하여 수행될 수 있다 (도 1의 S131 단계). After confirming that the cation substitution is homogeneous in the modeled atomic structure, whether or not a chalcogenide having such a structure can be easily synthesized can be determined by confirming thermodynamic stability (step S130 in FIG. 1). Confirmation of the thermodynamic stability of the Zn 1-x M x Te alloy can be performed by calculating the Gibbs free energy of mixing (step S131 in FIG. 1).
상기 혼합 깁스 프리 에너지 (mixing Gibbs free energy, 
[수학식 2][Equation 2]
수학식 2에서, α, 
[수학식 3][Equation 3]
수학식 3에서, 
[수학식 4][Equation 4]
수학식 4에서, κB, K, 및 Nsite 는 각각, 볼츠만 상수, 조성 x의 2진 치환 케이스에서의 조합 수, 및 치환 자리의 수이다. Nsite 가 충분히 큰 정수라는 가정 하에 스터링(Stirling) 근사치를 적용하면, Sideal 은 다음의 [수학식 5]로 표현될 수도 있다:In Equation 4, κ B , K , and N site are the Boltzmann constant, the number of combinations in the binary substitution case of composition x, and the number of substitution sites, respectively. Applying the Stirling approximation under the assumption that N site is a sufficiently large integer, S ideal may be expressed as Equation 5:
[수학식 5][Equation 5]
수학식 5에서 κB는 상기 수학식 4에서 정의한 바와 같다.In
본 발명의 일 구현예에 따르면 만약 S131 단계에서 혼합 깁스 프리에너지, 예를 들어 특정 반응 조건(반응 온도 등)에서 혼합 깁스 프리에너지가 0 미만인 경우에는 후속적으로 S132 단계를 수행하고, 이에 반해 APCF 값이 0.9 이하인 경우에는 S132 단계를 수행하지 않고 S121 단계로 돌아가서 S121 단계를 반복하여 SQS 방법에 의해 원자 구조를 다시 모델링할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, if the mixed Gibbs free energy in step S131, for example, when the mixed Gibbs free energy is less than 0 under specific reaction conditions (reaction temperature, etc.), step S132 is subsequently performed, whereas APCF If the value is 0.9 or less, the atomic structure may be re-modeled by the SQS method by returning to step S121 without performing step S132 and repeating step S121.
한편, 위와 같이 수학식에 따라 합금의 혼합 깁스 프리 에너지를 계산한 후, 각 결정 구조(즉, ZB 및 WZ)에서의 화학식 조성에 따른 함수로서 도 5에서 보는 바와 같이 그래프를 그렸다. 도 5에서 (a)는 Zn1-xBexTe, (b)는 Zn1-xMgxTe, (c)는 Zn1-xCaxTe 이다. 실선은 ZB 결정 구조, 점선은 WZ 결정 구조의 에너지이며, 파란색 선은 0K, 하늘색은 300K, 노란색은 600K, 빨간색은 900K에서의 에너지를 나타낸다.Meanwhile, after calculating the mixed Gibbs free energy of the alloy according to the above equation, a graph was drawn as shown in FIG. 5 as a function of the chemical composition in each crystal structure (ie, ZB and WZ). In FIG. 5, (a) is Zn 1-x Be x Te, (b) is Zn 1-x Mg x Te, and (c) is Zn 1-x Ca x Te. The solid line is the energy of the ZB crystal structure, the dotted line is the energy of the WZ crystal structure, and the blue line represents the energy at 0 K, light blue at 300 K, yellow at 600 K, and red at 900 K.
도 5의 그래프로부터 ZB 결정 구조와 WZ 결정 구조 모두, 모든 Zn1-xMxTe 합금에 대해 매우 유사한 정량적 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 이에, 두 결정 구조 모두에 대해 동일한 논의가 적용될 수 있을 것이다.It can be seen from the graph of FIG. 5 that both the ZB and WZ crystal structures exhibit very similar quantitative trends for all Zn 1-x M x Te alloys. Thus, the same discussion may be applied to both crystal structures.
Zn1-xBexTe 합금의 경우, 300K 에서는 ZnTe 와 BeTe 혼합이 흡열 반응인데 600K가 되면 대략 x = 0 정도에서 발열 반응 (즉, 음의 혼합 깁스 프리 에너지)이 이루어지고 900 K까지 온도가 더 증가하면 모든 조성에서의 혼합이 발열 반응이 된다. 발열 반응이 된다는 것은 Zn1-xBexTe 합금이 모든 조성에서 안정적일 수 있다는 것을 의미한다.In the case of the Zn 1-x Be x Te alloy, at 300 K the mixing of ZnTe and BeTe is an endothermic reaction. At further increases, mixing at all compositions becomes an exothermic reaction. Being exothermic means that the Zn 1-x Be x Te alloy can be stable in all compositions.
동일한 방식으로 Zn1-xMgxTe 는 600K와 900K 에서만 각 구성성분이 혼합가능하다. Zn1-xBexTe 와 비교하면 Zn1-xMgxTe 는 더 낮은 온도에서 더 안정하다. 이는 Mg2+의 원자 반지름이 Be2+에 비해 Zn2+ 원자 반지름과 더 유사하여 격자 뒤틀림이 더 작기 때문인 것으로 보인다.In the same way, each component of Zn 1-x Mg x Te can be mixed only at 600K and 900K. Compared to Zn 1-x Be x Te, Zn 1-x Mg x Te is more stable at lower temperatures. This seems to be because the atomic radius of Mg 2+ is more similar to that of Zn 2+ than that of Be 2+ , resulting in smaller lattice distortion.
Zn1-xCaxTe 합금의 경우, 900K 까지의 모든 온도에서 혼합 깁스 프리 에너지가 양의 값을 나타내었으며, 이는 합성이 용이하지 않음을 의미한다.In the case of the Zn 1-x Ca x Te alloy, the Gibbs free energy of mixing was positive at all temperatures up to 900 K, which means that the synthesis was not easy.
이에 따라 Be & Mg은 양이온 치환이 상대적으로 용이한 반면, Ca은 열역학적으로 용이하지 않음을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that cation substitution is relatively easy for Be & Mg, whereas Ca is not thermodynamically easy.
전술한 S110 단계 내지 S130 단계를 통해 양이온 치환된 칼코겐화물의 소재 설계가 이루어질 수 있다. 이와 같이 설계가 완료된 칼코겐화물은 선택 소자와 같은 소자의 재료로 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서는 상기 양이온 치환된 칼코겐화물에 있어서 양이온 치환에 따른 임계 전압을 조절하는 방안을 설명한다.Through the above steps S110 to S130, the material design of the cation-substituted chalcogenide may be made. The chalcogenide whose design has been completed in this way can be used as a material for a device such as a selection device. Therefore, hereinafter, a method of adjusting the threshold voltage according to cation substitution in the cation-substituted chalcogenide will be described.
상기 임계 전압의 조절은 칼코겐화물의 양이온 치환 조성에 따른 밴드 갭(band gap)을 계산하는 단계 (도 1의 S150 단계) 및 밴드 갭에 따른 임계 전압(Vth)을 도출하는 단계 (도 1의 S160 단계)를 통해 수행될 수 있다.The adjustment of the threshold voltage is a step of calculating a band gap according to the cation substitution composition of the chalcogenide (step S150 in FIG. 1) and deriving a threshold voltage (Vth) according to the band gap (step S150 in FIG. 1). It may be performed through step S160).
S150 단계에서 칼코겐화물의 양이온 치환에 따른 밴드갭은 HSE06 xc 함수를 이용하여 계산할 수 있다. Zn1-xMxTe 합금의 밴드 갭(εgap) 값을 계산하여 양이온 치환에 따른 조성의 함수로서 도 6에 나타내었다. 밴드 갭(εgap) 값은 가장 높은 점유 상태(highest occupied state)와 가장 낮은 비점유 상태(lowest unoccupied state) 사이의 에너지 차이로 계산한 것이다. The band gap according to the cation substitution of the chalcogenide in step S150 can be calculated using the HSE06 xc function. The band gap (ε gap ) value of the Zn 1-x M x Te alloy was calculated and shown in FIG. 6 as a function of composition according to cation substitution. The band gap (ε gap ) value is calculated as the energy difference between the highest occupied state and the lowest unoccupied state.
도 6의 (a)와 같이 알칼리 토금속으로 치환되었을 때의 밴드 갭이 조성에 따라 정량적으로 어떻게 변화하는지 분석이 가능하다. 도 6의 (a)에서 Zn1-xMgxTe (하늘색 선)과 Zn1-xCaxTe (파란색 선)의 경우, ZB와 WZ 구조에서 알칼리 토금속(2족 원소)의 비율이 증가할수록 단조적으로 증가하는 것으로 볼 수 있다. ZB Zn1-xBexTe 합금의 경우, 밴드 갭 εgap 은 Be가 상대적으로 더 적은 비율이었을 때 (즉, x > 0.48) 1.90 내지 2.78 eV 로 빠르게 증가한 반면, x ≥ 0.48 일 때 밴드갭은 2.68 eV 까지 천천히 감소하였다. 이는 직접 εgap 에서 간접 εgap 까지의 전이에 의한 것으로 보인다.As shown in (a) of FIG. 6, it is possible to analyze how the band gap quantitatively changes according to the composition when substituted with an alkaline earth metal. In the case of Zn 1-x Mg x Te (light blue line) and Zn 1-x Ca x Te (blue line) in (a) of FIG. 6, as the ratio of alkaline earth metal (
도 6에서 (b)는 모든 ZB 프리스틴 칼코겐화물의 DOS (density-of-states, 상태 밀도)를 그래프로 나타낸 것이다. 모든 에너지 레벨을 진공 레벨 (즉, εvac = 0 eV) 에 대한 것으로 정렬시켰다. ZnTe 벌크 구조에서의 전자적 구조와 결합 특성에 기초하여 다른 2원 2족 칼코겐화물 (즉, BeTe, MgTe, 및 CaTe)에 대한 나머지 DOS 도 분석하였다. Mg 에 대한 양이온 교환의 영향은 도 6의 (c)에 나타내었다. 이와 같이 도 6의 (b)와 (c)에서 진공 수준(vacuum level)을 0 eV으로 기준 하였을 때 원자가 밴드(valence band) 및 전도 밴드(conduction band)의 상대적 위치 변화 및 오비탈 기여도(orbital contribution)의 변화를 관찰할 수 있다. 또한, 상기 전자적 구조 분석으로부터 (i) ZnTe의 εgap 에너지는 등가 2족 원소로 치환함으로써 조정될 수 있다는 점, (ii) 전자-양성(electron-positive) 원소 (즉, Mg 및 Ca)를 더 많이 첨가하면 ZnTe 에 비하여 이온 결합 특성이 더 커지고 εVBM 은 더 낮아진다는 점을 알 수 있다.In FIG. 6 (b) is a graph showing the density-of-states (DOS) of all ZB pristine chalcogenides. All energy levels were aligned with respect to the vacuum level (ie ε vac = 0 eV). The remaining DOS for other
뉴로몰픽 시스템에서 OTS 선택 소자로서 칼코겐화물 소재를 성공적으로 이용하기 위해서는, 작동 장치의 목적에 부합하도록 Vth 를 조정할 수 있어야 한다. 본 발명에 따르면, S150 단계에서 밴드갭을 구한 후, S160 단계에서 밴드 갭에 따른 임계 전압(Vth)을 도출할 수 있다. In order to successfully use chalcogenide materials as OTS selectors in neuromorphic systems, it is necessary to be able to adjust Vth to meet the purpose of the actuating device. According to the present invention, after obtaining the band gap in step S150, the threshold voltage (Vth) according to the band gap can be derived in step S160.
이를 위해, 먼저, 미리 측정한 εgap 과 Vth 사이의 선형 관계를 얻고, 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 이들 사이의 상관관계를 파악할 수 있다. 특히, 도 7에서 보는 바와 같이 본 발명의 모상이 되는 아연텔룰라이드 (ZnTe) 물질로부터 밴드갭과 임계전압의 상관관계를 얻은 다음, 이에 따라 양이온이 치환되었을 경우 변조되는 밴드갭에 따라 임계전압의 변화를 예측할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 칼코겐화물의 밴드갭과 임계 전압 사이의 상관관계를 선형 회귀 분석에 의해 도출하는 단계(도 1의 S140 단계)를 추가로 더 포함하며, S160 단계는 상기 S140 단계에서 선형 회귀 분석에 의해 도출된 상관관계에 기초하여 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 S140 단계는 밴드갭과 임계전압에 대한 실험적인 값들을 수집하고 (도 1의 S141 단계), 상기 실험적 밴드갭과 임계 전압 데이터로부터 선형 회귀 분석에 의해 상관 관계를 도출하고 (도 1의 S142 단계), 상기 얻어진 상관관계가 R2 > 0.75 인지 여부를 확인하여 0.75 이하이면 S141 단계를 반복하도록 함으로써(도 1의 S143 단계) 수행될 수 있다. 도 7은 본 발명의 모상이 되는 아연텔룰라이드 (ZnTe) 물질에서의 band gap과 임계전압의 상관관계 뿐만 아니라 기타 OTS 소재의 상관 관계를 나타낸 것이다. To this end, first, a linear relationship between the pre-measured ε gap and Vth may be obtained, and a correlation between them may be identified using linear interpolation. In particular, as shown in FIG. 7, after obtaining the correlation between the band gap and the threshold voltage from the zinc telluride (ZnTe) material, which is the parent of the present invention, the threshold voltage according to the modulated band gap when the cation is substituted accordingly. change can be predicted. Accordingly, according to one embodiment of the present invention, the step of deriving the correlation between the band gap of the chalcogenide and the threshold voltage by linear regression analysis (step S140 in FIG. 1) is further included, and step S160 It may be performed based on the correlation derived by the linear regression analysis in step S140. In addition, according to one embodiment of the present invention, in step S140, experimental values for the band gap and threshold voltage are collected (step S141 in FIG. 1), and the experimental band gap and threshold voltage data are correlated by linear regression analysis. It can be performed by deriving a relationship (step S142 of FIG. 1), checking whether the obtained correlation is R 2 > 0.75, and repeating step S141 if it is 0.75 or less (step S143 of FIG. 1). 7 shows the correlation between the band gap and threshold voltage in the zinc telluride (ZnTe) material, which is the parent of the present invention, as well as the correlation between other OTS materials.
OTS 소재에서 εgap 과 Vth 사이의 선형 관계를 고려했을 때, 칼코겐화물 합금에서 등가 양이온 치환에 의한 εgap 의 변화를 통해 Vth 를 임의 범위 내로 설계할 수 있다. 예를 들어, Zn1-xBexTe 합금은, εgap 이 1.90 eV 내지 2.76 eV 범위이므로, 10 nm 두께에서 1.11 V 내지 1.42 V 의 Vth 범위를 나타낼 것으로 보인다. 또한, Zn1-xMgxTe 합금은 동일한 두께에서 1.11 V 내지 1.50 V 의 더 넓은 범위를 나타낼 것이다. ZnTe 및 CaTe 구조 사이의 불안정한 혼합을 고려하였을 때, OTS 선택 소자로서 Zn1-xCaxTe 합금은 이점이 없을 것으로 보인다. Considering the linear relationship between ε gap and Vth in OTS materials, Vth can be designed within an arbitrary range through the change of ε gap by equivalent cation substitution in chalcogenide alloys. For example, the Zn 1-x Be x Te alloy is expected to exhibit a Vth range of 1.11 V to 1.42 V at a thickness of 10 nm because the ε gap is in the range of 1.90 eV to 2.76 eV. Also, the Zn 1-x Mg x Te alloy will exhibit a wider range of 1.11 V to 1.50 V at the same thickness. Considering the unstable mixing between the ZnTe and CaTe structures, the Zn 1-x Ca x Te alloy as an OTS selection device does not appear to be advantageous.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.The above description of the present invention is for illustrative purposes, and those skilled in the art can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be.
Claims (5)
(a) 양이온 치환된 칼코겐화물의 원자 구조를 SQS (Special Quasi-random Structure) 방법으로 모델링하는 단계;
(b) APCF (Atomic Pair Correlation Function)를 계산하여 상기 모델링한 원자 구조에서 양이온 치환이 균질하게 이루어지는지 확인하는 단계;
(c) 혼합 깁스 프리에너지 (Gibbs free energy of mixing)을 계산하여 양이온 치환이 열역학적으로 용이한지를 확인하는 단계;
(d) 칼코겐화물의 양이온 치환 조성에 따른 밴드 갭(band gap)을 계산하는 단계; 및
(e) 밴드 갭에 따른 임계 전압(Vth)을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.As a method of controlling the threshold voltage of a device through cation substitution of chalcogenides,
(a) modeling the atomic structure of the cation-substituted chalcogenide by a Special Quasi-random Structure (SQS) method;
(b) calculating an Atomic Pair Correlation Function (APCF) to determine whether cation substitution is homogeneous in the modeled atomic structure;
(c) determining whether cation substitution is thermodynamically easy by calculating Gibbs free energy of mixing;
(d) calculating a band gap according to the cation substitution composition of the chalcogenide; and
(e) deriving a threshold voltage (V th ) according to the band gap.
[화학식 1]
Zn1-xMxTe
상기 화학식 1에서, 0 ≤ x ≤ 1 이고, M 은 Be, Mg, Ca, 또는 이들의 혼합물이다.The method of claim 1, wherein the chalcogenide base material is ZnTe having a zinc blende crystal structure or a wurtzite crystal structure, and has the following formula (1) by cation substitution:
[Formula 1]
Zn 1-x M x Te
In Formula 1, 0 ≤ x ≤ 1, and M is Be, Mg, Ca, or a mixture thereof.
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| JP2020094945A (en) | 2018-12-14 | 2020-06-18 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Crystal structure analysis method by x-ray total scattering |
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| KR102297252B1 (en) * | 2014-01-17 | 2021-09-03 | 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤 | Switch element and memory device |
| KR102466464B1 (en) * | 2015-08-03 | 2022-11-14 | 삼성전자주식회사 | Method of providing initial bias value for optical proximity correction, and mask producing method with optical proximity correction based on the initial bias value |
| KR102299462B1 (en) * | 2019-01-25 | 2021-09-06 | 연세대학교 산학협력단 | Method and apparatus for analyzing perovskite and pseudo-perovskite material |
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- 2021-09-17 KR KR1020210124852A patent/KR102519204B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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