KR20090013657A - Ｇｅ기반 금속-절연체 전이(ＭＩＴ) 박막, 그 ＭＩＴ박막을 포함하는 ＭＩＴ 소자 및 그 ＭＩＴ 소자 제조방법 - Google Patents
Ｇｅ기반 금속-절연체 전이(ＭＩＴ) 박막, 그 ＭＩＴ박막을 포함하는 ＭＩＴ 소자 및 그 ＭＩＴ 소자 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 기존의 두 원소 이상의 화합물이 아닌 Ge 홑원소 물질을 이용함으로써, MIT 박막의 물질 성장이 용이할 뿐만 아니라, 구조적 결함 및 불순물 첨가에 의한 2차상(second phase) 특성에 관한 문제점을 해결할 수 있는 Ge 기반 MIT 박막, 그 MIT 박막을 포함하는 MIT 소자 및 그 MIT 소자 제조방법을 제공한다. 그 MIT 소자는 기판; 상기 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 형성되고 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막; 및 상기 Ge 기반 MIT 박막에 컨택하는 적어도 2 개의 전극 박막;을 포함하고, 상기 전극 박막을 통해 인가되는 전압 또는 전류에 의해 상기 Ge 기반 MIT 박막이 상기 불연속 MIT를 일으킨다.
Description
본 발명은 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT) 소자에 관한 것으로, 특히, MIT 박막을 두 원소 이상의 합성 물질이 아닌 저마늄(Ge) 홑원소 물질로 제조한 Ge 기반 MIT 박막, 그 MIT 박막을 포함하는 MIT 소자 및 그 MIT 소자 제조방법에 관한 것이다.
최근까지 산화물 VO2이나 정공(hole)이 첨가된 화합물 GaAs같은 물질을 소자화하여 외부 인가 전압에 의해 저항의 변화가 발생하는 절연체에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 특히, 절연체에서 금속으로의 급격한 전이가 발생하는 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition:MIT) 물질에 관하여도 최근 그 원인의 규명이 실험적으로 이루어졌다.
상기 MIT 물질은 기판에 형성된 후 전극을 형성하여 2 단자나 3 단자의 소 자로 제작될 수 있으며, 이렇게 제작된 MIT 소자는 여러 가지 전자 소자로서의 응용성을 가진다. 예컨대, MIT 물질을 전계효과 트랜지스터(field effect transitor)로 활용할 수 있다는 특허가 출원되었다(US 6624463 B2, 미국등록특허, 2003년 9월 23일, 김현탁 외).
MIT 물질 또는 그 물질을 포함한 MIT 소자는 MIT 소자에 인가되는 전압이 특정 전압(이하, '전이 전압') 이상이 되면 불연속적으로 전류가 급격히 증가(또는 급격한 저항 감소)하는 특성을 보이며, 절연체 상태에서 금속 상태로 전이가 일어나는 특성을 갖는다.
전술한 바와 같이 이러한 MIT 물질은 일반적으로 산화물이나 저 농도의 정공이 첨가된 화합물로 제조되고 있다. 그러나 이와 같이 2가지 원소 이상이 결합되어 형성된 MIT 물질의 경우 MIT 발생 이후에 원하지 않은 2차 상전이 현상이 나타날 수 있는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기존의 두 원소 이상의 화합물이 아닌 Ge 홑원소 물질을 이용함으로써, MIT 박막의 물질 성장이 용이할 뿐만 아니라, 구조적 결함 및 불순물 첨가에 의한 2차상(second phase) 특성에 관한 문제점을 해결할 수 있는 Ge 기반 MIT 박막, 그 MIT 박막을 포함하는 MIT 소자 및 그 MIT 소자 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 형성되고 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형 기판, p형 기판, 및 무도핑형 기판 중 어느 하나의 기판일 수 있고, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판에서 성장 중에 저 농도의 정공이 포함되어 상기 불연속 MIT 특성을 가질 수 있다.
한편, 상기 기판은 상부에 버퍼층(buffer layer)을 포함할 수 있는데, 이러한 버퍼층 상으로 상기 Ge 기반 MIT 박막이 형성되는 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링(sputtering), MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel, 및 ALD(atomic layer depostion) 방법 중 어느 하나의 방법으로 150 ~ 200 nm의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 버퍼층은 SiO2, SiN, Si3N4, 및 Al2O3 막 중 적어도 어느 하나의 막을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 기판 상에 바로 성장시켜 형성될 수도 있는데, 이러한 경우 상기 기판은 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 구조가 일치하는 도핑되지 않은 GaAs 기판이거나 또는 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 상수가 7% 차이가 나는 도핑되지 않은 Si 기판일 수 있고, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판 상으로 MBE(molecular beam epitaxy) 방법으로 150 ~ 200 nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 과제를 달성하기 위하여, 기판; 상기 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 형성되고 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막; 및 상기 Ge 기반 MIT 박막에 컨택하는 적어도 2 개의 전극 박막;을 포함하고, 상기 전극 박막을 통해 인가되는 전압 또는 전류에 의해 상기 Ge 기반 MIT 박막이 상기 불연속 MIT를 일으키는 MIT 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 MIT 소자는, 상기 기판, 상기 기판 상으로 형성된 제1 전극 박막, 상기 제1 전극 박막 상으로 형성된 상기 Ge 기반 MIT 박막, 및 상기 Ge 기반 MIT 박막 상에 형성된 제2 전극 박막을 포함하는 수직형 구조, 또는 상기 기판, 상기 기판 상으로 형성된 상기 Ge 기반 MIT 박막, 및 상기 Ge 기반 MIT 박막 양 측면으로 서로 대향하며 형성된 제1 및 제2 전극 박막을 포함한 수평형 구조를 가질 수 있다.
상기 기판은 전술한 바와 같이 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형, p형, 및 도핑되지 않은 형 중 어느 하나의 형을 갖는 기판일 수 있는데, 상부에 버퍼층(buffer layer)을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층을 포하는 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 앞서의 여러 가지 증착 방법을 통해 형성될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판에 바로 성장시켜 형성할 수도 있고, 그러한 경우, 상기 기판은 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 구조가 일치하는 도핑되지 않은 GaAs 기판이거나 또는 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 상수가 7% 차이가 나는 도핑되지 않은 Si 기판일 수 있고, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판 상으로 MBE(molecular beam epitaxy) 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 박막은 Al, Cu, Ni, W, Mo, Cr, Zn, Mg, Fe, Co, Sn, Pb, Au, Ag, Pt, Ti, Ta, TaN, TaW, WN, TiN, 폴리실리콘(poly-Si), IrO, RuO, InSnO(InO:Sn) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 적어도 2개의 전극 박막 중 어느 하나의 전극 박막으로는 저항소자가 연결될 수 있다.
본 발명의 상기 MIT 소자는 MIT 전지, MIT 발광소자, MIT 센서, MIT 2단자 스위칭 소자, MIT 3단자 스위칭 소자(트랜지스터), MIT 메모리, MIT 진동자, 및 MIT RF 소자 중 적어도 어느 하나의 소자에 이용될 수 있다.
더 나아가 본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 기판 상에 제1 전극 박 막을 형성하는 단계; 상기 제1 전극 박막 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막을 형성하는 단계; 및 상기 Ge 기반 MIT 박막 상에 제2 전극 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 MIT 소자 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막을 형성하는 단계; 상기 기판 상으로 상기 Ge 기반 MIT 박막 양 측면 및 상면 일부에 상기 Ge 기반 MIT 박막을 사이에 두고 소정 간격을 갖는 제1 및 제2 전극 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 MIT 소자 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 기판은 상기 도핑되지 않은 GaAs 기판이거나 또는 도핑되지 않은 Si 기판이고, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판 상으로 MBE(molecular beam epitaxy) 방법으로 형성하며, 상기 기판이 상기 GaAs 기판인 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 GaAs 기판과 동일한 격자 구조를 가지고 형성하고, 상기 기판이 Si 기판인 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 Si 기판과 격자 상수 7%의 차이를 갖는 격자구조를 가지고 형성할 수 있다.
이와 같이 Si, 또는 GaAs 기판에 바로 상기 Ge 기반 MIT 박막을 성장시키는 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 400 ~ 500 ℃의 온도 및 10-10 ~ 10-9 torr.의 압력에서 10분간 성장시켜 약 150 ~ 200 nm의 두께로 형성할 수 있다.
한편, 상기 기판은 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형, p형, 및 도핑되지 않은 형 중 어느 하나의 형을 갖는 기판이고, 상기 기판 상으로 버퍼층을 더 형성하는 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링(sputtering), MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel, 및 ALD(atomic layer depostion) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성할 수도 있다.
특히, 상기 Ge 기반 MIT 박막이 스퍼터링을 통해 형성되는 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 400 ~ 500 ℃의 온도 및 10-6 ~ 10-5 torr.의 압력에서 5분간 성장시켜 약 150 ~ 200 nm의 두께로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 Ge 기반 MIT 박막, 그 MIT 박막을 포함하는 MIT 소자 및 그 MIT 소자 제조방법은, 고순도 홑원소 Ge 박막을 이용하여 MIT 박막을 형성함으로써, 두 원소 이상의 합성 물질에 의해 제조된 MIT 박막에 비하여 성장의 용이, 경제적 절감 효과가 뛰어난 MIT 박막 및 그 MIT 박막을 포함한 MIT 소자를 제작할 수 있다.
또한, Ge 기반 MIT 박막은 전이 온도가 높아서 구조적인 변형 및 전기적인 특성 변화 문제를 해결할 수 있고, 불순물 첨가에 의한 2차상(second phase) 특성 문제를 해결할 수 있다.
그에 따라, 본 발명의 Ge 기반 MIT 박막을 포함한 MIT 소자는 기존의 두 원 소 이상 합성 물질의 MIT 박막을 포함한 MIT 소자가 응용될 수 있는 전자 소자나 장치 또는 전기 시스템, MIT 태양 전지와 MIT 발광소자 등의 MIT 현상을 응용하는 소자들에 더 유용하게 응용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자에 대한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 Ge 기반 MIT 소자는 수직형 구조를 갖는데, 이러한 수직형 구조의 MIT 소자는, 기판(100), 기판(100) 상에 형성된 버퍼층(200) 및 버퍼층(200) 상부에 형성된 제1 전극 박막(410), MIT 박막(300) 및 제2 전극 박막(420)을 포함한다.
버퍼층(200)은 기판(100)과 제1 전극 박막(410) 사이에 격자 부정합을 완화시키는 역할을 수행한다. 기판(100)과 제1 전극 박막(410) 사이에 격자 부정합이 매우 작을 때는, 버퍼층(200) 없이 제1 전극 박막(410)을 기판(100) 위에 형성할 수 있다. 이러한 버퍼층(200)은 SiO2, SiN, Si3N4, 및 Al2O3 막 중 적어도 어느 하나의 막을 포함하여 형성할 수 있다.
기판(100)은 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형, p형, 및 도핑되지 않은 형 중 어느 하나의 형을 갖는 기판일 수 있다. 또한, SiO2, Al2O3, 플라스틱, 유리, V2O5, PrBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7, MgO, SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3 및 절연 박막 위의 실리콘(SOI) 중에서 적어도 하나의 물질을 포함하여 형성할 수도 있다.
MIT 박막(300)은 두 전극을 통해 인가되는 전압에 따라 전기적 특성이 급격하게 변한다. 즉, 전이 전압 미만에서 MIT 박막(300)은 절연체의 특성을 나타내며, 전이 이상에서 불연속 MIT가 발생하여 금속성 물질의 성질을 띠게 된다.
일반적으로 이러한 MIT 박막(300)은 저농도의 정공이 첨가된 p형 무기물 반도체, p형 무기물 절연체, p형 유기물 반도체 및 p형 유기물 절연체 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이러한 상기 MIT 박막 물질들은 산소, 탄소, Si, Ge, 반도체 화합물(Ⅲ-Ⅴ족,Ⅱ-Ⅳ족), 전이금속 원소, 희토류 원소, 및 란탄계 원소 중에도 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, MIT 박막(300)은 GaAS, GaSb, InP, InAs, GST (GeSbTe)의 화합물, Si, Ge과 같은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 한편, MIT 박막(300)은 n형이면서 매우 큰 저항을 갖는 반도체 및 절연체를 포함하여 형성될 수도 있다. 여기서, 첨가된 정공의 농도는 3 × 1016 ㎝-3 정도이다.
구체적으로 상기 MIT 박막(300)은, Al2O3, VO2, V2O3, ZrO2, ZnO, HfO2, CuO, Ta2O5, La2O3, Fe2O3, NiO, 및 MgO 중에서 적어도 하나가 함유된 산화막 물질, AlxTiyO, ZnxTiyO, ZrxTiyO, TaxTiyO, VxTiyO, LaxTiyO, BaxTiyO, 및 SrxTiyO 중에서 적어도 하나가 함유된 산화막 물질, 및 GaAS, GaSb, InP, InAs, GST (GeSbTe), Si, 및 Ge 중에서 적어도 하나가 함유된 반도체 물질 중에서 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
그러나 본 실시예의 MIT 박막(300)은 위와 같은 2가지 원소 이상이 결합되어 형성되는 것이 아니라 오로지 Ge 홑원소 물질만으로 형성된다. 즉, MIT 박막(300)은 Ge 기반 MIT 박막(300)이다.
이와 같은 Ge 기반 MIT 박막(300)은 여러 가지 방법을 통해 형성할 수 있는데, 본 실시예와 같이 버퍼층(300)이나 제1 전극박막 상으로 Ge 기반 MIT 박막(300)이 형성되는 경우에는 적절한 재질의 버퍼층(300) 또는 제1 전극 박막(410)을 선택함으로써, 다양한 증착 방법을 통해 Ge 기반 MIT 박막(300)을 형성할 수 있다.
예컨대, 이러한 Ge 기반 MIT 박막(300)은 스퍼터링(sputtering_) 방식, MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel 방법 및 ALD(atomic layer deposition) 등의 방법들 중 적어도 하나의 방법을 통하여 형성될 수 있다.
한편, 한편, 전극 박막(400)은, Al, Cu, Ni, W, Mo, Cr, Zn, Mg, Fe, Co, Sn, Pb, Au, Ag, Pt, Ti, Ta, TaN, TaW, WN, TiN, TiW, poly-Si 및 산화물 전극 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 여기서 산화물 전극은 IrO, RuO, InSnO(InO:Sn) 또는 ZnO 등을 들 수 있다.
본 발명의 MIT 소자는 MIT 박막(300)을 Ge 홑원소만으로 형성함으로써, 기존의 2 가지 원소 이상으로 형성된 MIT 박막에 비하여, Ge 홑원소 물질 자체의 특성으로 인하여, 박막 성장이 용이할 뿐 아니라, 2가지 원소의 결합에 따른 구조적 결함이나 불순물 첨가에 따른 2차상(second phase) 발생, 즉 원하지 않는 2차 상전이 문제 등을 해결할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 Ge 기반 MIT 박막을 포함한 MIT 소자는 위와 같은 장점을 가지고 MIT 전지, MIT 발광소자, MIT 센서, MIT 2단자 스위칭 소자, MIT 3단자 스위칭 소자(트랜지스터), MIT 메모리, MIT 진동자, 및 MIT RF 소자 등의 MIT 현상을 응용하는 다양한 소자에 유용하게 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자에 대한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 Ge 기반 MIT 소자는 수평형 구조를 갖는데, 이러한 수평형 구조를 가지는 MIT 소자는, 기판(100) 상에 형성된 버퍼층(200), 버퍼층(200) 상면 일부에 형성된 MIT 박막(300a) 및 버퍼층(200)의 상부로 MIT 박막(300a) 측면과 상면으로 서로 대향하면서 형성된 제1 전극 박막(410a) 및 제2 전극 박막(420a)을 포함한다. 즉, 제1 전극 박막(410a)과 제2 전극 박막(420a)은 MIT 박막(300a)을 사이에 두고 서로 분리되어 있다.
버퍼층(200)은 MIT 박막(300a)과 기판(100) 사이에 격자 부정합을 완화시켜준다. 기판(100)과 MIT 박막(300a) 사이에 격자 부정합이 매우 작을 때는, 버퍼층(200) 없이 MIT 박막(300a)을 기판(100) 상에 형성할 수 있다. 버퍼층(200), 전극 박막(400a) 및 기판(100)이 상기 설명에서 전술한 재질들로 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 실시예의 MIT 박막(300) 역시 Ge 홑원소 물질만으로 형성된 Ge 기반 MIT 박막(300)이다. 또한, 이러한 Ge 기반 MIT 박막(300)은 전술한 바와 같이 적절한 재질의 버퍼층(200)을 선택함으로써, 여러 가지 증착 방법, 예컨대, 스퍼터링(sputtering_) 방식, MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel 방법 및 ALD(atomic layer deposition) 등의 방법들 중 적어도 하나의 방법을 통하여 형성될 수 있다.
이러한, 수평형 MIT 소자는 마이크로 미터(㎛) 단위의 소형으로 만들 수 있고, 경제적인 측면에서도 매우 저렴한 가격으로 제작할 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자에 대한 단면도 및 평면도이다.
도 3a를 참조하면, 본 실시예의 MIT 소자는 제2 실시예와 유사한 구조를 가지나, 버퍼층을 포함하지 않는다. 그에 따라, 본 실시예에서는 Ge 기반 MIT 박막(300)을 형성하는 데에 좀더 세밀한 주의가 필요하다. 즉 본 실시예에서는 MBE 장비를 이용하여 기판 상에 바로 Ge 기반 MIT 박막을 성장시킨다.
본 실시예에서 MBE 장비를 이용하여 고순도 박막을 성장하는데 있어서, 가장 중요한 변수 중 하나가 성장하고자 하는 물질을 증착하는데 필요한 기판(substrate)이다. Ge 물질을 성장하고자 함에 있어서, 성장 물질과 기판 사이의 격자 어긋남(lattice mismatch) 정도에 따라서 성장되는 물질의 질(quality)이 좌우되기 때문이다.
본 실시예에서는 [100] 방향의 도핑되지 않은 GaAs 기판 또는 [100] 방향의 도핑되지 않은 Si 기판을 사용한다. 도핑되지 않은 GaAs 기판의 경우, 성장되는 Ge 박막과 격자 어긋남 없이 일치하여 박막 결함(defect)율을 상쇄시켜 고순도 박막을 성장시킬 수 있도록 한다.
도핑되지 않은 Si 기판의 경우, 성장되는 Ge 박막과 격자 상수가 약 7 % 차이가 난다. 이와 같이 격자 구조가 차이가 나는 Si 기판을 사용하는 이유는 성장 방향에 변화를 주기 위함이다. 즉, 기판과 성장 물질 사이에 격자 어긋남을 이용하여 성장 물질의 성장축(결정축)을 변화시키기 위함이다. Si 기판을 사용하는 또 다른 이유는, GaAs 기판에 비해 생산비 절감에 큰 효과가 있을 뿐만 아니라, 대면적 박막 생산에 용이하기 때문이다.
한편, 기판 상으로 바로 Ge 기반 MIT 층을 형성하지 않고 SiO2 박막과 같은 버퍼층(buffer layer)을 기판과 성장 물질 사이에 두어 기판의 영향을 배제함과 동시에 고비용의 MBE 장비를 사용하지 않고, 스퍼터링 법과 같은 여러 가지 증착법을 이용하여 Ge 박막을 성장 가능하게 함으로써, 저비용으로 대량 생산이 가능한 조건을 제시할 수 있음은 물론이다.
도 3b는 도 3a에서 설명한 Ge 기반 MIT 소자에 대한 평면도로서, 도 3b를 참조하면, MIT 소자의 기판(100), MIT 박막(300a) 및 제1 및 제2 전극 박막(410a, 420a)이 도시되어 있다. 전술한 대로 MIT 소자는 전이 전압 이상에서 불연속 MIT를 일으키는데, 이러한 전이 전압은 소자의 구조에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 두 전극 박막(410a, 420a) 사이의 거리(D)의 변화나 MIT 박막(300a)의 폭(W)의 변화를 줌으로써, 전이 전압을 변화시킬 수 있다.
한편, 제2 실시예의 수평형 구조의 Ge 기반 MIT 소자 역시, 도 3b와 같은 유사한 평면도를 갖는데, 차이는 버퍼층이 기판 상으로 형성됨으로써, 기판 대신 버퍼층(200)이 두 전극 박막 사이로 노출될 수 있다는 점이다. 버퍼층을 갖는 수평형 구조의 Ge 기반 MIT 소자 역시 전극 박막들 사이의 거리(D)나 MIT 박막의 폭(W)의 변화를 통해 전이 전압을 변화시킬 수 있음은 물론이다.
도 4a는 도 3a의 도핑하지 않은 Si 기판을 이용한 Ge 기반 MIT 소자에 대한 전압 모드 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 도 3b에서의 두 전극 박막 간의 거리(D)의 변화에 따라 MIT 소자의 전이 전압이 달라짐을 볼 수 있다. 즉, 전극 박막 간의 거리(D)가 짧아질수록 전이 전압이 낮아짐을 알 수 있다.
도 4b는 도 3a의 도핑하지 않은 Si 기판을 이용한 Ge 기반 MIT 소자에 대한 전류 모드 그래프이다.
도 4b를 참조하면, 전류 모드에서, 즉 MIT 소자에 인가되는 최대 전압을 특정 전압 이내로 한정한 상태에서, MIT 소자로 흐르는 전류를 증가시키면서 측정한 전류 대 전압 그래프를 보여준다. 도시한 바와 같이 MIT 발생 이후에 순간적인 전압 강하와 함께 전류가 급격히 증가함을 보여준다.
도 4a 및 4b를 통해서, Ge 홑원소 물질만으로 이루어진 Ge 기반 MIT 박막이 기존의 2가지 이상의 원소로 형성된 MIT 박막과 거의 동일한 MIT 특성을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
한편, Si 기판 위에 성장된 Ge 기반 MIT 박막에 비해서 GaAs 기판 위에 성장된 Ge 기반 MIT 박막이 전이 전압이 상대적으로 높은 것으로 나타나는데, 이는 GaAs 기판 위에 성장된 Ge 기반 MIT 박막의 경우 격자 어긋남이 없어 상대적으로 저항값이 크기 때문이다. 이러한 Ge 기반 MIT 박막의 전이 전압은 외부 가변 저항을 두 전극 박막의 어느 한 전극 박막으로 연결하거나, 전극들의 간격 조절 또는 적절한 재질의 버퍼층 이용이나 MIT 박막 성장 조건 변화 등을 이용하여 조절할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5a를 참조하면, 먼저 기판 상으로 제1 전극 박막을 형성한다(S100). 제1 전극 박막은 앞서 언급한 바와 같이, Al, Cu, Ni, W, Mo, Cr, Zn, Mg, Fe, Co, Sn, Pb, Au, Ag, Pt, Ti, Ta, TaN, TaW, WN, TiN, TiW, poly-Si 및 산화물 전극 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성할 수 있다. 여기서 산화물 전극은 IrO, RuO, InSnO(InO:Sn) 또는 ZnO 등을 들 수 있다. 한편, 제1 전극 박막 형성 전에 상기 기판과 제1 전극 박막의 격자 부정합을 완화시키기 위하여 적당한 버퍼층을 형성할 수 있음은 물론이다.
다음 제1 전극 박막 상으로 Ge 기반의 MIT 박막을 형성한다(S120). 이러한 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링(sputtering_) 방식, MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel 방법 및 ALD(atomic layer deposition) 등의 방법들 중 적어도 하나의 방법을 통하여 형성할 수 있다.
특히, 스퍼터링 법을 이용하는 경우, 400 ~ 500 ℃의 온도 및 10-6 ~ 10-5 torr.의 압력에서 5분간 성장시킴으로써, 약 150 ~ 200 nm의 두께의 Ge 기반 MIT 박막을 얻을 수 있다. 한편, 성장 후에, 동일 온도로 5 ~ 10분 정도의 열처리를 통해서 Ge 기반 MIT 박막의 안정성을 높일 수도 있다. 스퍼터링 법의 경우, 플라즈마 생성조건을 변화시킴으로써, 다양한 시간 내에 다양한 두께의 Ge 기반 MIT 박막을 성장시킬 수 있는 장점을 가진다.
이렇게 성장된 Ge 기반 MIT 박막의 경우, 성장 시에 적절한 온도 조절 등을 통해 필요한 저 농도 정공이 박막 내에 생성됨으로써, 소정 전이 전압에서 불연속 MIT가 발생하는 MIT 박막으로서의 특성을 가지게 된다.
이와 같이 생성된 Ge 기반 MIT 박막 상으로 제2 전극 박막을 형성한 다(S140). 제2 전극 박막은 전술한 제1 전극 박막과 동일한 재질로 형성할 수 있음은 물론이다.
도 5b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자 제조방법을 보여주는 흐름도이다. 먼저, 기판 상으로 Ge 기판 MIT 박막을 형성한다(S200). 이와 같이 기판 상으로 바로 Ge 기반 MIT 박막을 형성하는 경우는, 기판의 재질이 중요하므로, 기판은 앞서 제3 실시예에서 언급한 대로 [100] 방향의 도핑되지 않은 GaAs 기판 또는 [100] 방향의 도핑되지 않은 Si 기판을 사용한다.
이러한 GaAs 또는 Si 기판 상으로 형성되는 Ge 기반 MIT 박막은 MBE 법을 통해서 형성하는데, 400 ~ 500 ℃, 특히 450 ℃ 정도의 온도 및 10-10 ~ 10-9 torr. 정도의 압력하에서, 약 10분간 성장시킴으로써, 약 150 ~ 200 nm의 두께의 Ge 기반 MIT 박막을 얻을 수 있다. 한편, 성장 후에, 동일 온도로 5 ~ 10분 정도의 열처리를 통해서 Ge 기반 MIT 박막의 안정성을 높일 수도 있다.
이와 같이 기판 상으로 바로 성장된 Ge 기반 MIT 박막은 성장 중에 원자 배치 등이 조절되면서 필요한 저 농도의 정공이 박막 내에 생성됨으로써, 소정 전이 전압에서 불연속 MIT가 발생하는 MIT 박막으로서의 특성을 가지게 된다.
한편, 기판 상으로 바로 Ge 기반 MIT 박막을 형성하지 않고, 적절한 버퍼층, 예컨대, SiO2, SiN, Si3N4, 및 Al2O3 막 중 적어도 어느 하나의 막을 포함한 버퍼층을 형성함으로써, MBE 법뿐만 아니라 앞서 언급한 다양한 증착 방법을 통해 버퍼층 상으로 Ge 기반 MIT 박막을 형성할 수 있음은 물론이다.
Ge 기반 MIT 박막 형성 후에, 기판 상의 Ge 기반 MIT 박막 양 측면 및 상부 일부로 도전성 물질을 증착하여 제1 및 제2 전극 박막을 형성한다(S220). 이러한 제1 및 제2 전극 박막은 앞서 제1 실시예 등에서 언급한 물질들로 형성할 수 있으며, Ge 기반MIT 박막을 사이에 두고 일정 간격으로 떨어져 형성하는데, 이러한 제1 및 제2 전극 박막 사이의 간격을 조절함으로써, MIT 소자의 전이 전압을 조절할 수 있음은 전술한 바와 같다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자에 대한 단면도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자에 대한 단면도 및 평면도이다.
도 4a는 도 3a의 도핑하지 않은 Si 기판을 이용한 Ge 기반 MIT 소자에 대한 전압 모드 그래프이다.
도 4b는 도 3a의 도핑하지 않은 Si 기판을 이용한 Ge 기반 MIT 소자에 대한 전류 모드 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 Ge 기반 MIT 소자 제조방법을 보여주는 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100: 기판 200: 버퍼층
300, 300a: Ge 기반 MIT 박막 400, 400a: 전극 박막
410, 410a: 제1 전극 박막 420, 420a: 제2 전극 박막
Claims (20)
- 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 형성되고 소정 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막.
- 제1 항에 있어서,상기 기판은 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형 기판, p형 기판, 및 무도핑형 기판 중 어느 하나의 기판이고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 저 농도의 정공이 포함되어 상기 불연속 MIT 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 Ge 기반 MIT 박막.
- 제2 항에 있어서,상기 기판은 상부에 버퍼층(buffer layer)을 포함하고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링(sputtering), MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel, 및 ALD(atomic layer depostion) 방법 중 어느 하나의 방법으로 150 ~ 200 nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 Ge 기반 MIT 박막.
- 제3 항에 있어서,상기 버퍼층은 SiO2, SiN, Si3N4, 및 Al2O3 막 중 적어도 어느 하나의 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 Ge 기반 MIT 박막.
- 제1 항에 있어서,상기 기판은 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 구조가 일치하는 도핑되지 않은 GaAs 기판이거나 또는 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 상수가 7% 차이가 나는 도핑되지 않은 Si 기판이고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판 상으로 MBE(molecular beam epitaxy) 방법으로 150 ~ 200 nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 Ge 기반 MIT 박막.
- 기판;상기 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 형성되고 소정 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막; 및상기 Ge 기반 MIT 박막에 컨택하는 적어도 2 개의 전극 박막;을 포함하고,상기 전극 박막을 통해 인가되는 전압 또는 전류에 의해 상기 Ge 기반 MIT 박막이 상기 불연속 MIT를 일으키는 MIT 소자.
- 제6 항에 있어서,상기 MIT 소자는,상기 기판, 상기 기판 상으로 형성된 제1 전극 박막, 상기 제1 전극 박막 상으로 형성된 상기 Ge 기반 MIT 박막, 및 상기 Ge 기반 MIT 박막 상에 형성된 제2 전극 박막을 포함하는 수직형 구조이거나,상기 기판, 상기 기판 상으로 형성된 상기 Ge 기반 MIT 박막, 및 상기 Ge 기반 MIT 박막 양 측면으로 서로 대향하며 형성된 제1 및 제2 전극 박막을 포함한 수평형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제6 항에 있어서,상기 기판은 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형, p형, 및 무도핑형 중 어느 하나의 형을 갖는 기판이고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 저 농도의 정공이 포함되어 상기 불연속 MIT 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제8 항에 있어서,상기 기판은 상부에 버퍼층(buffer layer)을 포함하고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링(sputtering), MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel, 및 ALD(atomic layer depostion) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제9 항에 있어서,상기 버퍼층은 SiO2, SiN, Si3N4, 및 Al2O3 막 중 적어도 어느 하나의 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제6 항에 있어서,상기 기판은 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 구조가 일치하는 도핑되지 않은 GaAs 기판이거나 또는 상기 Ge 기반 MIT 박막과 격자 상수가 7% 차이가 나는 도핑되지 않은 Si 기판이고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판 상으로 MBE(molecular beam epitaxy) 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제6 항에 있어서,상기 전극 박막은 Al, Cu, Ni, W, Mo, Cr, Zn, Mg, Fe, Co, Sn, Pb, Au, Ag, Pt, Ti, Ta, TaN, TaW, WN, TiN, 폴리실리콘(poly-Si), IrO, RuO, InSnO(InO:Sn) 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제6 항에 있어서,상기 적어도 2개의 전극 박막 중 어느 하나의 전극 박막으로는 저항소자가 연결되는 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 제6 항에 있어서,상기 MIT 소자는 MIT 전지, MIT 발광소자, MIT 센서, MIT 2단자 스위칭 소자, MIT 3단자 스위칭 소자(트랜지스터), MIT 메모리, MIT 진동자, 및 MIT RF 소자 중 적어도 어느 하나의 소자에 이용될 수 있는 것을 특징으로 하는 MIT 소자.
- 기판 상에 제1 전극 박막을 형성하는 단계;상기 제1 전극 박막 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막을 형성하는 단계; 및상기 Ge 기반 MIT 박막 상에 제2 전극 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 MIT 소자 제조방법.
- 기판 상에 저마늄(Germanium: Ge) 홑원소 물질로 전이 전압에서 불연속 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)를 일으키는 Ge 기반 MIT 박막을 형성하는 단계; 및상기 기판 상으로 상기 Ge 기반 MIT 박막 양 측면 및 상면 일부에 상기 Ge 기반 MIT 박막을 사이에 두고 소정 간격을 갖는 제1 및 제2 전극 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 MIT 소자 제조방법.
- 제16 항에 있어서,상기 기판은 상기 도핑되지 않은 GaAs 기판이거나 또는 도핑되지 않은 Si 기판이고,상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 기판 상으로 MBE(molecular beam epitaxy) 방법으로 형성하며,상기 기판이 상기 GaAs 기판인 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 GaAs 기판과 동일한 격자 구조를 가지고 형성되고,상기 기판이 Si 기판인 경우, 상기 Ge 기반 MIT 박막은 상기 Si 기판과 격자 상수 7%의 차이를 갖는 격자구조를 가지고 형성되는 것을 특징으로 하는 MIT 소자 제조방법.
- 제17 항에 있어서,상기 Ge 기반 MIT 박막은, 400 ~ 500 ℃의 온도 및 10-10 ~ 10-9 torr.의 압력에서 10분간 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 MIT 소자 제조방법.
- 제15 또는 제16 항에 있어서,상기 기판은 Si, Ge, GaAs, GaSb, InP, InAs, 및 AlAs 중 어느 하나의 물질을 포함하는 n형, p형, 및 무도핑형 중 어느 하나의 형을 갖는 기판이고,상기 MIT 소자 제조방법은 상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하며,상기 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링(sputtering), MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), ALE(atomic layer epitaxy), PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), Sol-Gel, 및 ALD(atomic layer depostion) 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 MIT 소자 제조방법.
- 제19 항에 있어서,상기 Ge 기반 MIT 박막은 스퍼터링을 통해 형성되고,400 ~ 500 ℃의 온도 및 10-6 ~ 10-5 torr.의 압력에서 5분간 성장시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 MIT 소자 제조방법.
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