WO2023234760A1 - Optical sensor and memory device including ferroelectric thin film having pyroelectric properties - Google Patents

Optical sensor and memory device including ferroelectric thin film having pyroelectric properties Download PDF

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WO2023234760A1
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ferroelectric thin
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optical sensor
pulsed light
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서형탁
쿠마르모힛
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아주대학교산학협력단
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    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
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    • H10N15/10Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point
    • H10N15/15Thermoelectric active materials

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor that detects light using a ferroelectric thin film with pyroelectric properties and a non-volatile memory device capable of optical reading and electrical writing.
  • hafnium oxide HfO 2
  • the pyroelectric effect is a major method for detecting transient photon irradiation and is consequently widely applied in practical sensing applications such as infrared sensing and thermal imaging. Infrared photons interact thermally with the ferroelectric material by tuning the effective surface polarization, resulting in an electrical response.
  • hafnium oxide HfO 2
  • HfO 2 hafnium oxide
  • One object of the present invention is to provide an optical sensor capable of detecting a target using the pyroelectric properties of a ferroelectric thin film.
  • Another object of the present invention is to provide a non-volatile memory device capable of electromagnetic writing and optical reading using a ferroelectric thin film having pyroelectric properties.
  • An optical sensor is a device for detecting a target, comprising: a light source that irradiates pulsed light in the direction of the target; a sensing element including a ferroelectric thin film that generates a current by a temperature change caused by pulsed light reflected by the target and a first electrode disposed on the surface of the ferroelectric thin film; and a current meter electrically connected to the first electrode and measuring a current generated by the ferroelectric thin film.
  • the ferroelectric thin film may include a polycrystalline hafnium oxide thin film including an orthorombic (Pca21) phase.
  • the ferroelectric thin film may have an oxygen defect density of 9 to 15%.
  • the light source has a pulse width of 0.01 to 100 ms and may irradiate pulsed light with a wavelength in the infrared region.
  • the ferroelectric thin film is disposed on a substrate, and the first electrode is disposed to contact the upper surface of the ferroelectric thin film and may include a transparent electrode through which pulsed light can pass.
  • the first electrode may include a conductive metal nanowire electrode, a mesh-structured conductive metal electrode, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, or a transparent conductive polymer electrode.
  • the optical sensor includes a second electrode disposed between the substrate and the ferroelectric thin film; and an electric field applicator electrically connected to the second electrode and applying an electric field to the ferroelectric thin film to adjust the polarization state of the ferroelectric thin film.
  • a memory device includes a ferroelectric thin film having pyroelectric properties that generates a current by a temperature change caused by pulsed light, and a first electrode disposed to contact the first surface of the ferroelectric thin film. and a memory element including a second electrode disposed below a second surface of the ferroelectric thin film opposite to the first surface; an electric field applicator electrically connected to the second electrode and adjusting the polarization state of the ferroelectric thin film by applying an electric field to the ferroelectric thin film; a light source that irradiates pulsed light to the ferroelectric thin film; And a current detector electrically connected to the first electrode, generated by a temperature change caused by the pulsed light, and measuring a photocurrent by the ferroelectric thin film whose size changes depending on the polarization state of the ferroelectric thin film. You can.
  • the electric field applicator may control the polarization state of the ferroelectric thin film by applying one or more pulse voltages with a width of 1 to 100 ms to the second electrode.
  • the one or more pulse voltages may include one or more positive pulse voltages and one or more negative pulse voltages.
  • the ferroelectric thin film may include a polycrystalline hafnium oxide thin film including an orthorombic (Pca21) phase.
  • the ferroelectric thin film may have an oxygen defect density of 9 to 15%.
  • the light source has a pulse width of 0.01 to 100 ms and may irradiate pulsed light with a wavelength in the infrared region.
  • a target can be detected in real time by detecting a photocurrent generated from a ferroelectric thin film with pyroelectric properties without using external power.
  • the memory device of the present invention it is possible to control the polarization state of the ferroelectric thin film with pyroelectric properties in various ways using electric fields of various sizes, making it easy to implement multiple storage states, and optically storing the stored information. Since it can be read, the reading speed of information can be significantly improved.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram for explaining a memory device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a cross-sectional TEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si (' Figure 3a'), TEM images showing the orthorhombic crystal phase and monoclinic crystal phase of HfO 2 (' Figure 3b', ' Figure 3c'), respectively, and Hf and EELS mapping results corresponding to O (' Figure 3d'), cross-sectional STEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si (' Figure 3e'), EELS spectrum of HfO 2 thin film (' Figure 3f') and HfO 2 thin film.
  • the XRD spectrum (' Figure 3g') is shown.
  • Figure 4 shows the PV hysteresis curve (' Figure 4a'), the double pulse measurement result (' Figure 4b'), the polarization stability measurement result (' Figure 4c'), and the granule structure with different scan voltage regions for the HfO 2 thin film. Showing surface morphology (' Figure 4d'), PFM phase and size (' Figure 4e'), loops on PFM cisterns as a function of voltage (' Figure 4f'), PFM image (' Figure 4g'), and oxygen defect ratio. The polarization state change (' Figure 4h') calculated according to and the relative energy change (' Figure 4i') according to atomic displacement are shown.
  • Figure 5 shows the instantaneous photoresponse ('FIG. 5a', 'FIG. 5b') measured under self-buyer conditions for AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device, and a schematic diagram showing the operating mechanism ('FIG. 5c'). , the change in photoresponse corresponding to a single pulse of light (' Figure 5d'), the change in photoresponse according to pulsed light intensity (' Figure 5e', ' Figure 5f'), and the temperature-dependent change of the pyrophotocurrent peak (' Figure 5g). ', ' Figure 5h').
  • Figure 6 is a graph showing the results of measuring the pyrophotonic response before and after applying a pulse voltage to the Si substrate of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device under the condition of continuous irradiation of pulsed light (' Figure 6a', ' Figure 6b'), to explain the operating mechanism of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device (' Figure 6c'), and the change in optical response according to the type of applied pulse voltage (' Figure 6d'). The measured results (' Figure 6e') are shown.
  • first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
  • an optical sensor 100 may include a light source 110, a sensing element 120, and a current meter 130.
  • the light source 110 may radiate pulsed light to the target 10 to be sensed.
  • the light source 110 may irradiate pulsed light that belongs to the infrared wavelength range and has a width of about 0.01 to 100 ms in the direction of the target 10.
  • the sensing element 120 may generate current by receiving pulsed light reflected by the target 10.
  • the sensing element 120 may include a ferroelectric thin film 121 and an electrode 122.
  • the ferroelectric thin film 121 may have pyroelectric properties capable of generating current by a temperature change caused by pulsed light reflected from the target 10.
  • the temperature change may cause a change in the strength of the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film 121, and a current may be generated by the temporary surface charge generated as a result.
  • the ferroelectric thin film 121 may be formed of hafnium oxide including an orthorombic (Pca2 1 ) phase having non-centrosymmetric properties.
  • the ferroelectric thin film 121 may include a polycrystalline hafnium oxide thin film including an orthorombic (Pca21) phase and a monoclinic (centrosymmetric space group P21/c) phase.
  • the orthorombic crystal phase may include hexagonal array atoms whose grains are slightly distorted, and this distortion is mainly caused by factors such as grain boundaries and oxygen vacancies, and the ferroelectricity of the hafnium oxide thin film It can play an important role in promoting movement.
  • the ferroelectric thin film 121 when the ferroelectric thin film 121 is a hafnium oxide thin film including an orthorombic crystal phase, the ferroelectric thin film 121 may have an oxygen defect density of about 9 to 15%, and the oxygen defects are It may include oxygen vacancies, etc.
  • the ferroelectric thin film 121 may be formed to a thickness of about 5 to 50 nm on the substrate 140 through an RF sputtering process.
  • an amorphous hafnium oxide thin film is formed on the substrate 140 through an RF sputtering process, then subjected to a rapid thermal annealing process, and then cooled to form a crystalline hafnium oxide thin film containing an orthorombic phase. can be formed.
  • the material or structure of the substrate 140 is not particularly limited as long as it can support the ferroelectric thin film 121.
  • the electrode 122 may be formed on one surface of the ferroelectric thin film 121 and may include a transparent electrode through which pulsed light reflected from the target 10 can transmit.
  • the electrode 122 may include a conductive metal nanowire electrode, a conductive metal electrode with a mesh structure, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, a transparent conductive polymer electrode, etc.
  • the current meter 130 is electrically connected to the electrode 122 and measures the current generated by the pyroelectric characteristics of the ferroelectric thin film 121 by the reflected pulse light, thereby detecting the target 10. It can be sensed.
  • the structure of the current meter 130 is not particularly limited as long as it can measure the current generated from the ferroelectric thin film 121.
  • the optical sensor 100 is disposed between the ferroelectric thin film 121 and the substrate 140, and applies an electric field to the ferroelectric thin film 121 to increase the polarization strength of the ferroelectric thin film 121. It may further include an additional electrode (see ' ⁇ ' in FIG. 2) that adjusts and an electric field applicator (see ' ⁇ ' in FIG. 2) that applies a voltage to the additional electrode. By adjusting the polarization strength of the ferroelectric thin film 121 through the additional electrode and the electric field applicator, the current generated by the ferroelectric thin film 121 can be adjusted.
  • a target can be detected in real time by detecting a photocurrent generated from a ferroelectric thin film with pyroelectric properties without using external power.
  • Figure 2 is a diagram for explaining a memory device according to an embodiment of the present invention.
  • the memory device 200 may include a memory element 210, an electric field applicator 220, a light source 230, and a current detector 240.
  • the memory device 210 may include a ferroelectric thin film 211, a first electrode 212, and a second electrode 213. Meanwhile, the memory device 210 may further include an insulating film 214 disposed between the ferroelectric thin film 211 and the second electrode 213.
  • ferroelectric thin film 211 and the first electrode 212 are substantially the same as the ferroelectric thin film 121 and the electrode 122 of the optical sensor 100 described with reference to FIG. 1, redundant detailed information about them is provided. The explanation is omitted.
  • the second electrode 213 may be disposed to face the first electrode 212 with the ferroelectric thin film 211 interposed therebetween, and the electric field applicator 220 applies an electric field to the ferroelectric thin film 121.
  • a pulse voltage may be applied to the second electrode 213.
  • the electric field applicator 220 may apply one or more positive pulse voltages and one or more negative pulse voltages to the second electrode 213.
  • the positive pulse voltage and negative pulse voltage may have a width of about 1 to 100 ms.
  • the dielectric thin film 211 may have different polarization states depending on the magnitude of each pulse voltage.
  • the negative pulse voltage includes a plurality of pulse voltages having different magnitudes
  • the dielectric thin film 211 may have different polarization states depending on the magnitude of each pulse voltage.
  • the polarization strength of the ferroelectric thin film 211 may have non-volatile characteristics that maintain the polarization state induced by the final applied pulse voltage.
  • the light source 230 is disposed on top of the first electrode 212 of the memory element 210 and can irradiate pulsed light to the ferroelectric thin film 211, and the current detector 240 is configured to emit pulsed light. Detect the current generated from the ferroelectric thin film 211 by irradiation, and through this detect the polarization state of the ferroelectric thin film 211, that is, the non-volatile state input to the memory element 210 by the electric field applicator 220. Information can be read.
  • the light source 230 may irradiate the ferroelectric thin film 211 with pulsed light having a wavelength in the infrared region and a width of about 0.01 to 100 ms.
  • the memory device of the present invention it is possible to control the polarization state of a ferroelectric thin film with pyroelectric properties in various ways using electric fields of various sizes, making it easy to implement multiple storage states and optically read the stored information. This can significantly improve the reading speed of information.
  • HfO 2 thin films were deposited on low-resistance (1 ⁇ 10-3 ⁇ cm) p-Si substrates using a large-area RF sputtering technique using an ultra-high purity (99.999) HfO 2 target. Before deposition, the Si substrate was ultrasonically cleaned using acetone, alcohol and propanol, and then dried using nitrogen.
  • RF sputtering was performed at a power of 100 W and an operating pressure of 10 mTorr.
  • ultra-high purity argon gas with a flow rate of 30 sccm was used.
  • rapid thermal annealing was performed for 30 minutes under nitrogen atmosphere at a flow rate of 50 sccm and a temperature of 600° C., whereby the HfO 2 thin film was crystallized.
  • Figure 3 shows a cross-sectional TEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si (' Figure 3a'), TEM images showing the orthorhombic crystal phase and monoclinic crystal phase of HfO 2 (' Figure 3b', ' Figure 3c'), respectively, and Hf and EELS mapping results corresponding to O (' Figure 3d'), cross-sectional STEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si (' Figure 3e'), EELS spectrum of HfO 2 thin film (' Figure 3f') and HfO 2 thin film.
  • the XRD spectrum (' Figure 3g') is shown.
  • low-resolution cross-sectional TEM confirmed that the HfO 2 thin film is composed of tightly packed and elongated nanocolumn grains with a lateral size of approximately 12 to 20 nm, and that grain boundaries are formed perpendicular to the SiO 2 /Si plane. .
  • the HfO 2 thin film was composed of a mixture of non-centrosymmetric allorhombic (Pca21) and monoclinic (centrosymmetric space group P21/c) phases, and the monoclinic phase was at room temperature and atmospheric pressure. It is the most common crystalline phase formed.
  • the enlarged TEM image showed that the grains exhibited an orthocomb crystal structure with slightly distorted hexagonal array atoms. This distortion is mainly due to factors such as grain boundaries and oxygen vacancies, which may play an important role in promoting the ferrostatic behavior of HfO 2 .
  • the average interlayer distance (about 0.29 nm) closely matched the (111) plane of the monoclinic HfO 2 phase.
  • the monoclinic phase of HfO 2 is a stable form, and a complete phase transition can occur when the amorphous film changes to the monoclinic phase.
  • the amorphous HfO 2 thin film can be converted to the tetragonal phase and then to the orthorombic phase.
  • HfO 2 As shown in Figure 3d, the deposition of HfO 2 was confirmed by elemental mapping collected by cross-sectional electron energy loss spectroscopy (EELS) mapping.
  • EELS electron energy loss spectroscopy
  • a cross-sectional EELS spectrum was recorded from SiO 2 (interface) to the top, as illustrated by the vertical arrow in Figure 3e.
  • the EELS spectrum from SiO 2 showed a prominent peak at approximately 531.3 eV, confirming the OK edge as shown in Figure 3f.
  • the OK edge peak moved toward low energy, and the peak corresponding to HfO 2 appeared at 528.4 eV.
  • the EELS spectrum collected from the native oxide (SiO 2 ) to HfO 2 showed a pre-peak hump at 528.4 eV before in the HfO 2 layer, as indicated by the background.
  • the XRD spectrum showed multiple characteristic peaks at 2 ⁇ of 30.33°31.44° and 35.36°.
  • the peak at 30.33° represents the (111) plane of the orthocomb phase, and the other two peaks (31.44° and 35.56°) correspond to the (111) and (002) lattice planes of the monoclinic phase, respectively.
  • the XRD spectrum confirmed that the film had a polycrystalline crystal structure and that orthocomb (#-HfO2) and monoclinic (m-HfO2) phases coexisted.
  • the inset in Figure 3g shows a unit cell of monoclinic and orthorombic HfO 2 .
  • Figure 4 shows the PV hysteresis curve (' Figure 4a'), the double pulse measurement result (' Figure 4b'), the polarization stability measurement result (' Figure 4c'), and the granule structure with different scan voltage regions for the HfO 2 thin film. Showing surface morphology (' Figure 4d'), PFM phase and size (' Figure 4e'), loops on PFM cisterns as a function of voltage (' Figure 4f'), PFM image (' Figure 4g'), and oxygen defect ratio. The polarization state change (' Figure 4h') calculated according to and the relative energy change (' Figure 4i') according to atomic displacement are shown.
  • the loop opening in the hysteresis loop was improved with increasing scanning voltage area for the HfO 2 thin film.
  • the loop opening i.e., 2P
  • the loop opening was 2.52 ⁇ Ccm -1 for scan voltages of 0 ⁇ +1.0 ⁇ 0 ⁇ -1.0 ⁇ 0V, while it improved to 4.93 ⁇ Ccm -1 for ⁇ 8.0V scanning.
  • the current-voltage collected during PV measurements showed two distinct current peaks related to polarization switching.
  • the apparent loop opening in the PV curve and the appearance of the corresponding peaks in the IV measurement indicate the ferroelectric behavior of the device.
  • a hysteresis loop appeared in the PV results, it was not saturated.
  • the current ( IP+C ) corresponding to the first pulse is similar to that of the second pulse with similar magnitude and polarity.
  • I C was relatively high compared to the corresponding current.
  • the current generated by the first pulse (point-1) produced both polarization switching and capacitor charging current ( IP+C ), whereas the second pulse (point-2) produced no polarization. Therefore, only the capacitor charging current ( IC ) was shown. Therefore, double pulse measurements provided further evidence of polarization in AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si devices.
  • the surface topography collected by atomic force microscopy (AFM) measurements shows that the HfO 2 film is closely packed, randomly distributed, and contains a granular phase structure with an average lateral size of 20 ⁇ 10 nm. showed that
  • the piezoelectric-force microscopy (PFM) analysis results provided microstructural information about the ferroelectric domain and switching behavior of the HfO 2 thin film.
  • the ferroelectricity of HfO 2 is associated with the non-centrosymmetric allorhombic phase Pca21, inside which polarization occurs in the [001] direction. Therefore, the polarization was calculated as a function of defect density through density functional theory (DFT) using the orthocomb phase.
  • DFT density functional theory
  • the potential barrier in orthorombic HfO2 was calculated to be about 177.4 meV, which was reduced to 153 meV at a defect density of 8.3%.
  • the barrier height increased rapidly with further increase in defect density (see inset). DFT calculations show that the presence of oxygen vacancies in the HfO 2 thin film not only enhances the polarization of the HfO 2 thin film but also reduces the effective barrier to oxygen migration. Sikkim is shown.
  • Figure 5 shows the instantaneous photoresponse ('FIG. 5a', 'FIG. 5b') measured under self-buyer conditions for AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device, and a schematic diagram showing the operating mechanism ('FIG. 5c'). , the change in photoresponse corresponding to a single pulse of light (' Figure 5d'), the change in photoresponse according to pulsed light intensity (' Figure 5e', ' Figure 5f'), and the temperature-dependent change of the pyrophotocurrent peak (' Figure 5g). ', ' Figure 5h').
  • the response speed of the pyroelectric-optical detector was measured by instantaneous response.
  • FIG. 5d An enlarged view of I py during light irradiation ON conditions is shown in Figure 5d.
  • the current reached 10 to 90% of the peak value within 60 ⁇ s (i.e., rise time) and gradually decayed.
  • This ultrafast response time confirms that AgNWs/HfO2/SiO2/Si devices can be used to design ultrafast IR photodetectors.
  • the current gradually decreased after the light on/off condition and returned to the initial level (I dark ) within a short period of time (20 ms).
  • This gradual change in Ipy is related to the rate of change in surface temperature to return to thermal equilibrium. Therefore, this rapid decrease suggests that the depth of the conduction region is shallow.
  • Figure 5g shows the change in Ipy behavior with temperature change.
  • the size of the I py peak decreased as the overall device temperature increased, showing strong temperature-dependent performance.
  • This change in I py indicates that the effective polarization of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device can be controlled by external temperature.
  • the change in maximum I py is plotted in Figure 5h, showing a gradual decrease with temperature, a result showing that the device can be applied to read non-contact temperature sensors.
  • Figure 6 is a graph showing the results of measuring the pyrophotonic response before and after applying a pulse voltage to the Si substrate of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device under the condition of continuous irradiation of pulsed light (' Figure 6a', ' Figure 6b'), to explain the operating mechanism of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device (' Figure 6c'), and the change in optical response according to the type of applied pulse voltage (' Figure 6d'). The measured results (' Figure 6e') are shown.
  • the device showed reproducible Ipy generation upon pulsed light irradiation (3.2 mWcm -2 ).
  • the current increased nominally (about 7.6 nA).
  • the IV curve of the device was measured by double sweeping within ⁇ 3.0 V, and the results showed that the IV curve was asymmetric with respect to the applied pulse voltage and showed a well-defined hysteresis loop opening. showed it Additionally, the current ratio from -3.0 to +3.0 V was measured to be 2 ⁇ 10 4 , indicating the formation of a Schottky-like junction in the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device. Therefore, the dominant charge transfer mechanism across the device can be described by Schottky emission, and mathematically, the Schottky emission that dominates charge transfer can be defined as Equation 1 below.
  • Equation 1 A is a constant, T is the absolute temperature, ⁇ b is the barrier height, k B is the Boltzmann constant, e is the electrical charge, ⁇ r is the effective dielectric constant, and ⁇ 0 is the vacuum permittivity. .
  • the HfO 2 thin film contains abundant oxygen defects and loosely bound oxygen, so when a positive voltage is applied to the top electrode of the device, oxygen ions are generated and migrate, which increases the effective barrier thickness. ( ) decreases. This migration of oxygen ions changes the effective polarization of the device, which can cause the photosensing behavior of the device.
  • the responsivity (R) defined by (A is the effective area of the device (0.6 cm 2 ), and P is the irradiation intensity of light) was calculated.

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Abstract

An optical sensor for sensing a target object is disclosed. The optical sensor comprises: a light source that emits pulsed light toward a target object; a sensing element including a ferroelectric thin film that generates a current in response to a temperature change caused by the pulsed light reflected by the target object, and a first electrode disposed on the surface of the ferroelectric thin film; and a current measurer that is electrically connected to the first electrode to measure the current generated by the ferroelectric thin film.

Description

파이로 전기 특성을 갖는 강유전체 박막을 구비하는 광센서 및 메모리 장치Optical sensor and memory device comprising a ferroelectric thin film with pyroelectric properties
본 발명은 파이로 전기 특성을 갖는 강유전체 박막을 이용하여 광을 감지하는 광센서 및 광학적 읽기 및 전기적 쓰기가 가능한 비휘발성 메모리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical sensor that detects light using a ferroelectric thin film with pyroelectric properties and a non-volatile memory device capable of optical reading and electrical writing.
하프늄산화물(HfO2)에서의 강유전성의 성공적인 증명 이래, 과학 커뮤니티는 잠재적인 어플리케이션을 위해 그것을 활용하는 기술에 많은 관심을 가져왔다. 하프늄산화물(HfO2)의 매력적인 특성 중에 하나는 파이로 전기(pyroelectricity) 효과이고, 이는 온도에 따른 강유전성 분극에서의 변화와 관련된다. 극성 물질 주변의 약간의 온도 변화는 자발적 분극의 강도를 변화시키고, 이는 큰 일시적인 표면 전하의 생성을 야기하며, 그 결과 전기가 생성되는데, 이를 파이로 전기 효과라 부른다. 파이로 전기 효과는 일시적인 포톤(photon) 조사를 감지하기 위한 주요 방법이고, 그 결과 적외선 감지 및 열 이미지와 같은 실제적인 감지 어플리케이션에 광범위하게 적용되고 있다. 적외선 포톤들은 효과적인 표면 분극을 조정함에 의해 강유전성 물질과 열적으로 상호작용하고, 그 결과 전기적 응답이 나타난다. Since the successful demonstration of ferroelectricity in hafnium oxide (HfO2), the scientific community has been very interested in technologies that exploit it for potential applications. One of the attractive properties of hafnium oxide (HfO 2 ) is the pyroelectricity effect, which is related to changes in ferroelectric polarization depending on temperature. A slight change in temperature around a polar material changes the strength of its spontaneous polarization, which causes the creation of a large temporary surface charge, which in turn generates electricity, called the pyroelectric effect. The pyroelectric effect is a major method for detecting transient photon irradiation and is consequently widely applied in practical sensing applications such as infrared sensing and thermal imaging. Infrared photons interact thermally with the ferroelectric material by tuning the effective surface polarization, resulting in an electrical response.
또한, 하프늄산화물(HfO2)의 쌍극자 배향은 전기장에 의해 스위칭될 수 있고, 이는 파이로 전기 거동을 조절하는 것을 가능하게 할 수 있으나, 자발 분극을 사용하여 파이로 전기 거동을 조절하는 것은 거의 연구되지 않았다.Additionally, the dipole orientation of hafnium oxide (HfO 2 ) can be switched by an electric field, which may make it possible to control pyroelectric behavior, but controlling pyroelectric behavior using spontaneous polarization has been little studied. It didn't work.
본 발명의 일 목적은 강유전체 박막의 파이로 전기 특성을 이용하여 목적물을 감지할 수 있는 광센서를 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide an optical sensor capable of detecting a target using the pyroelectric properties of a ferroelectric thin film.
본 발명의 다른 목적은 파이로 전기 특성을 갖는 강유전체 박막을 이용하여 전자기적 쓰기 및 광학적 읽기가 가능한 비휘발성 메모리 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a non-volatile memory device capable of electromagnetic writing and optical reading using a ferroelectric thin film having pyroelectric properties.
본 발명의 실시예에 따른 광센서는 목적물을 감지하는 장치로서, 상기 목적물 방향으로 펄스 광을 조사하는 광원; 상기 목적물에 의해 반사된 펄스 광에 의해 야기되는 온도 변화에 의해 전류를 생성하는 강유전성 박막 및 상기 강유전성 박막의 표면에 배치된 제1 전극을 구비하는 센싱소자; 및 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 강유전성 박막에 의해 생성된 전류를 측정하는 전류측정기;를 포함할 수 있다. An optical sensor according to an embodiment of the present invention is a device for detecting a target, comprising: a light source that irradiates pulsed light in the direction of the target; a sensing element including a ferroelectric thin film that generates a current by a temperature change caused by pulsed light reflected by the target and a first electrode disposed on the surface of the ferroelectric thin film; and a current meter electrically connected to the first electrode and measuring a current generated by the ferroelectric thin film.
일 실시예에 있어서, 상기 강유전성 박막은 올소롬빅(Pca21) 상을 포함하는 다결정질 하프늄 산화물 박막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 강유전성 박막은 9 내지 15 %의 산소 결함 밀도를 가질 수 있다. In one embodiment, the ferroelectric thin film may include a polycrystalline hafnium oxide thin film including an orthorombic (Pca21) phase. In this case, the ferroelectric thin film may have an oxygen defect density of 9 to 15%.
일 실시예에 있어서, 상기 광원은 0.01 내지 100 ms의 펄스 폭을 갖고, 적외선 영역의 파장을 갖는 펄스 광을 조사할 수 있다. In one embodiment, the light source has a pulse width of 0.01 to 100 ms and may irradiate pulsed light with a wavelength in the infrared region.
일 실시예에 있어서, 상기 강유전성 박막은 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극은 상기 강유전성 박막의 상부면에 접촉하도록 배치되고, 펄스 광이 투과할 수 있는 투명 전극을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극은 전도성 금속 나노 와이어 전극, 메쉬 구조의 전도성 금속 전극, 전도성 탄소 소재 전극, 투명 전도성 산화물 전극 또는 투명 전도성 고분자 전극을 포함할 수 있다. In one embodiment, the ferroelectric thin film is disposed on a substrate, and the first electrode is disposed to contact the upper surface of the ferroelectric thin film and may include a transparent electrode through which pulsed light can pass. For example, the first electrode may include a conductive metal nanowire electrode, a mesh-structured conductive metal electrode, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, or a transparent conductive polymer electrode.
상기 광센서는 상기 기판과 상기 강유전성 박막 사이에 배치된 제2 전극; 및 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 강유전성 박막에 전기장을 인가하여 상기 강유전성 박막의 분극 상태를 조절하는 전기장 인가기를 더 포함할 수 있다. The optical sensor includes a second electrode disposed between the substrate and the ferroelectric thin film; and an electric field applicator electrically connected to the second electrode and applying an electric field to the ferroelectric thin film to adjust the polarization state of the ferroelectric thin film.
본 발명의 실시예에 따른 메모리 장치는, 펄스 광에 의해 야기되는 온도 변화에 의해 전류를 생성하는 파이로 전기 특성을 갖는 강유전성 박막, 상기 강유전성 박막의 제1면 상에 접촉하도록 배치된 제1 전극 및 상기 제1 면과 대향하는 상기 강유전성 박막의 제2 면 하부에 배치된 제2 전극을 구비하는 메모리 소자; 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 강유전성 박막에 전기장을 인가하여 상기 강유전성 박막의 분극 상태를 조절하는 전기장 인가기; 상기 강유전성 박막에 펄스 광을 조사하는 광원; 및 상기 제1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 펄스 광에 의한 온도 변화에 의해 생성되고, 상기 강유전성 박막의 분극 상태에 그 크기가 변화하는 상기 강유전성 박막에 의한 광전류를 측정하는 전류검출기;를 포함할 수 있다. A memory device according to an embodiment of the present invention includes a ferroelectric thin film having pyroelectric properties that generates a current by a temperature change caused by pulsed light, and a first electrode disposed to contact the first surface of the ferroelectric thin film. and a memory element including a second electrode disposed below a second surface of the ferroelectric thin film opposite to the first surface; an electric field applicator electrically connected to the second electrode and adjusting the polarization state of the ferroelectric thin film by applying an electric field to the ferroelectric thin film; a light source that irradiates pulsed light to the ferroelectric thin film; And a current detector electrically connected to the first electrode, generated by a temperature change caused by the pulsed light, and measuring a photocurrent by the ferroelectric thin film whose size changes depending on the polarization state of the ferroelectric thin film. You can.
일 실시예에 있어서, 상기 전기장 인가기는 1 내지 100 ms의 폭을 갖는 하나 이상의 펄스 전압을 상기 제2 전극에 인가하여 상기 강유전성 박막의 분극 상태를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 하나 이상의 펄스 전압은 하나 이상의 양의 펄스 전압 및 하나 이상의 음의 펄스 전압을 포함할 수 있다. In one embodiment, the electric field applicator may control the polarization state of the ferroelectric thin film by applying one or more pulse voltages with a width of 1 to 100 ms to the second electrode. For example, the one or more pulse voltages may include one or more positive pulse voltages and one or more negative pulse voltages.
일 실시예에 있어서, 상기 강유전성 박막은 올소롬빅(Pca21) 상을 포함하는 다결정질 하프늄 산화물 박막을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 강유전성 박막은 9 내지 15 %의 산소 결함 밀도를 가질 수 있다. In one embodiment, the ferroelectric thin film may include a polycrystalline hafnium oxide thin film including an orthorombic (Pca21) phase. In this case, the ferroelectric thin film may have an oxygen defect density of 9 to 15%.
일 실시예에 있어서, 상기 광원은 0.01 내지 100 ms의 펄스 폭을 갖고, 적외선 영역의 파장을 갖는 펄스 광을 조사할 수 있다.In one embodiment, the light source has a pulse width of 0.01 to 100 ms and may irradiate pulsed light with a wavelength in the infrared region.
본 발명의 광센서에 따르면, 외부 전력의 사용 없이 파이로 전기 특성을 갖는 강유전성 박막으로부터 생성된 광전류를 감지함으로써, 목적물을 실시간으로 감지할 수 있다. According to the optical sensor of the present invention, a target can be detected in real time by detecting a photocurrent generated from a ferroelectric thin film with pyroelectric properties without using external power.
그리고, 본 발명의 메모리 장치에 따르면, 다양한 크기의 전기장을 이용하여 파이로 전기 특성을 갖는 강유전성 박막의 분극 상태를 다양하게 제어하는 것이 가능하여, 다중 저장 상태의 구현이 용이하고, 저장된 정보를 광학적으로 읽을 수 있어서 정보의 독출 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다. In addition, according to the memory device of the present invention, it is possible to control the polarization state of the ferroelectric thin film with pyroelectric properties in various ways using electric fields of various sizes, making it easy to implement multiple storage states, and optically storing the stored information. Since it can be read, the reading speed of information can be significantly improved.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다. Figure 2 is a diagram for explaining a memory device according to an embodiment of the present invention.
도 3은 HfO2/SiO2/Si의 단면 TEM 이미지(‘도 3a’), HfO2의 올소롬빅 결정상과 모노클리닉 결정상을 각각 보여주는 TEM 이미지들(‘도 3b’, ‘도 3c’), Hf 및 O에 대응하는 EELS 맵핑 결과(‘도 3d’), HfO2/SiO2/Si의 단면 STEM 이미지(‘도 3e’), HfO2 박막의EELS 스펙트럼(‘도 3f’) 및 HfO2 박막의 XRD 스펙트럼(‘도 3g’)을 나타낸다. Figure 3 shows a cross-sectional TEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si ('Figure 3a'), TEM images showing the orthorhombic crystal phase and monoclinic crystal phase of HfO 2 ('Figure 3b', 'Figure 3c'), respectively, and Hf and EELS mapping results corresponding to O ('Figure 3d'), cross-sectional STEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si ('Figure 3e'), EELS spectrum of HfO 2 thin film ('Figure 3f') and HfO 2 thin film. The XRD spectrum ('Figure 3g') is shown.
도 4는 HfO2 박막에 대한 서로 다른 스캔 전압 영역을 갖는 P-V 히스테리시스 곡선(‘도 4a’), 이중 펄스 측정 결과(‘도 4b’), 분극 안정성 측정 결과(‘도 4c’), 그래뉼 구조를 보여주는 표면 형태(‘도 4d’), PFM 상 및 크기(‘도 4e’), 전압 변화에 따른 PFM 시스테리 상 루프(‘도 4f’), PFM 상 이미지(‘도 4g’), 산소 결함 비율에 따라 계산된 분극 상태 변화('도 4h') 및 원자 변위에 따른 상대적인 에너지 변화(‘도 4i’)를 나타낸다. Figure 4 shows the PV hysteresis curve ('Figure 4a'), the double pulse measurement result ('Figure 4b'), the polarization stability measurement result ('Figure 4c'), and the granule structure with different scan voltage regions for the HfO 2 thin film. Showing surface morphology ('Figure 4d'), PFM phase and size ('Figure 4e'), loops on PFM cisterns as a function of voltage ('Figure 4f'), PFM image ('Figure 4g'), and oxygen defect ratio. The polarization state change ('Figure 4h') calculated according to and the relative energy change ('Figure 4i') according to atomic displacement are shown.
도 5는 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자에 대해, 셀프 바이서 조건에서 측정된 순간적인 광응답(‘도 5a’, '도 5b'), 작동 매커니즘을 보여주는 개략도(‘도 5c’), 단일 펄스 광에 대응되는 광응답 변화(‘도 5d’), 펄스 광 세기에 따른 광응답의 변화(‘도 5e’, ‘도 5f’) 및 파이로 광전류 피크의 온도 의존적 변화(‘도 5g’, ‘도 5h’)를 나타낸다. Figure 5 shows the instantaneous photoresponse ('FIG. 5a', 'FIG. 5b') measured under self-buyer conditions for AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device, and a schematic diagram showing the operating mechanism ('FIG. 5c'). , the change in photoresponse corresponding to a single pulse of light ('Figure 5d'), the change in photoresponse according to pulsed light intensity ('Figure 5e', 'Figure 5f'), and the temperature-dependent change of the pyrophotocurrent peak ('Figure 5g). ', 'Figure 5h').
도 6은 펄스 광의 연속적인 조사 조건 하에서 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자의 Si 기판에 펄스 전압을 인가하기 전후의 파이로 광응답을 측정한 결과를 나타내는 그래프들('도 6a', '도 6b'), AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 그리('도 6c'), 인가된 펄스 전압의 형태('도 6d')에 따른 광은답의 변화를 측정한 결과('도 6e')를 나타낸다. Figure 6 is a graph showing the results of measuring the pyrophotonic response before and after applying a pulse voltage to the Si substrate of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device under the condition of continuous irradiation of pulsed light ('Figure 6a', ' Figure 6b'), to explain the operating mechanism of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device ('Figure 6c'), and the change in optical response according to the type of applied pulse voltage ('Figure 6d'). The measured results ('Figure 6e') are shown.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Since the present invention can be subject to various changes and can have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are enlarged from the actual size for clarity of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.
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. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining an optical sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광센서(100)는 광원(110), 센싱소자(120) 및 전류측정기(130)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, an optical sensor 100 according to an embodiment of the present invention may include a light source 110, a sensing element 120, and a current meter 130.
상기 광원(110)은 감지하고자 하는 목적물(10)에 펄스 광을 조사할 수 있다. 예를 들면, 상기 광원(110)은 적외선 파장 영역에 속하고, 그 폭이 약 0.01 내지 100 ms인 펄스 광을 상기 목적물(10) 방향으로 조사할 수 있다. The light source 110 may radiate pulsed light to the target 10 to be sensed. For example, the light source 110 may irradiate pulsed light that belongs to the infrared wavelength range and has a width of about 0.01 to 100 ms in the direction of the target 10.
상기 센싱소자(120)는 상기 목적물(10)에 의해 반사된 펄스 광을 수신하여 전류를 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 센싱소자(120)는 강유전성 박막(121) 및 전극(122)를 포함할 수 있다. The sensing element 120 may generate current by receiving pulsed light reflected by the target 10. In one embodiment, the sensing element 120 may include a ferroelectric thin film 121 and an electrode 122.
상기 강유전성 박막(121)은 상기 목적물(10)로부터 반사된 펄스 광에 의해 야기되는 온도 변화에 의해 전류를 생성할 수 있는 파이로 전기 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 온도 변화에 의해 상기 강유전성 박막(121)의 자발 분극의 강도 변화가 발생하고, 이로 인해 생성되는 일시적인 표면 전하에 의해 전류가 생성될 수 있다. The ferroelectric thin film 121 may have pyroelectric properties capable of generating current by a temperature change caused by pulsed light reflected from the target 10. For example, the temperature change may cause a change in the strength of the spontaneous polarization of the ferroelectric thin film 121, and a current may be generated by the temporary surface charge generated as a result.
일 실시예에 있어서, 상기 강유전성 박막(121)은 비-중심대칭성 특성을 갖는 올소롬빅(Pca21) 상을 포함하는 하프늄 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 강유전성 박막(121)은 올소롬빅(Pca21) 상과 모노클리닉(centrosymmetric space group P21/c) 상을 포함하는 다결정질 하프늄 산화물 박막을 포함할 수 있다. 상기 하프늄 산화물 박막에서, 상기 올소롬빅 결정상은 그레인이 약간 뒤틀린 헥사고날 배열 원자들을 포함할 수 있고, 이러한 뒤틀림은 주로 그레인 바운데리들 및 산소 공공 등과 같은 요인들 때문에 야기된 것으로서, 하프늄 산화물 박막의 강유전성 거동을 촉진시키는데 중요한 역할을 할 수 있다.In one embodiment, the ferroelectric thin film 121 may be formed of hafnium oxide including an orthorombic (Pca2 1 ) phase having non-centrosymmetric properties. For example, the ferroelectric thin film 121 may include a polycrystalline hafnium oxide thin film including an orthorombic (Pca21) phase and a monoclinic (centrosymmetric space group P21/c) phase. In the hafnium oxide thin film, the orthorombic crystal phase may include hexagonal array atoms whose grains are slightly distorted, and this distortion is mainly caused by factors such as grain boundaries and oxygen vacancies, and the ferroelectricity of the hafnium oxide thin film It can play an important role in promoting movement.
일 실시예에 있어서, 상기 강유전성 박막(121)이 올소롬빅 결정상을 포함하는 하프늄 산화물 박막인 경우, 상기 강유전성 박막(121)은 약 9 내지 15 %의 산소 결함 밀도를 가질 수 있고, 상기 산소 결함은 산소 공공 등을 포함할 수 있다. In one embodiment, when the ferroelectric thin film 121 is a hafnium oxide thin film including an orthorombic crystal phase, the ferroelectric thin film 121 may have an oxygen defect density of about 9 to 15%, and the oxygen defects are It may include oxygen vacancies, etc.
일 실시예에 있어서, 상기 강유전성 박막(121)은 RF 스퍼터링 공정을 통해 기판(140) 상에 약 5 내지 50 nm의 두께로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 기판(140) 상에 RF 스퍼터링 공정을 통해 비정질의 하프늄 산화물 박막을 형성한 후 이를 급격한 열적 어닐링 공정을 진행하고, 이어서 이를 냉각시킴으로써 올소롬빅 상을 포함하는 결정질 하프늄 산화물 박막을 형성할 수 있다. 한편, 상기 기판(140)은 상기 강유전성 박막(121)을 지지할 수 있다면, 그 재료나 구조가 특별히 제한되지 않는다. In one embodiment, the ferroelectric thin film 121 may be formed to a thickness of about 5 to 50 nm on the substrate 140 through an RF sputtering process. In one embodiment, an amorphous hafnium oxide thin film is formed on the substrate 140 through an RF sputtering process, then subjected to a rapid thermal annealing process, and then cooled to form a crystalline hafnium oxide thin film containing an orthorombic phase. can be formed. Meanwhile, the material or structure of the substrate 140 is not particularly limited as long as it can support the ferroelectric thin film 121.
상기 전극(122)은 상기 강유전성 박막(121)의 일면 상에 형성될 수 있고, 상기 목적물(10)로부터 반사된 펄스 광이 투과할 수 있는 투명 전극을 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 전극(122)은 전도성 금속 나노 와이어 전극, 메쉬 구조의 전도성 금속 전극, 전도성 탄소 소재 전극, 투명 전도성 산화물 전극, 투명 전도성 고분자 전극 등을 포함할 수 있다. The electrode 122 may be formed on one surface of the ferroelectric thin film 121 and may include a transparent electrode through which pulsed light reflected from the target 10 can transmit. In one embodiment, the electrode 122 may include a conductive metal nanowire electrode, a conductive metal electrode with a mesh structure, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, a transparent conductive polymer electrode, etc.
상기 전류측정기(130)는 상기 전극(122)에 전기적으로 연결되어 상기 반사된 펄스 광에 의해 상기 강유전성 박막(121)의 파이로 전기 특성에 의해 생성된 전류를 측정함으로써, 상기 목적물(10)을 감지할 수 있다. 상기 강유전성 박막(121)으로부터 생성된 전류를 측정할 수 있다면, 상기 전류측정기(130)의 구조는 특별히 제한되지 않는다. The current meter 130 is electrically connected to the electrode 122 and measures the current generated by the pyroelectric characteristics of the ferroelectric thin film 121 by the reflected pulse light, thereby detecting the target 10. It can be sensed. The structure of the current meter 130 is not particularly limited as long as it can measure the current generated from the ferroelectric thin film 121.
일 실시예에 있어서, 상기 광센서(100)는 상기 강유전성 박막(121)과 상기 기판(140) 사이에 배치되고, 상기 강유전성 박막(121)에 전기장을 인가하여 상기 강유전성 박막(121)의 분극 강도를 조절하는 추가 전극(도 2의 底’참조) 및 상기 추가 전극에 전압을 인가하는 전기장 인가기(도 2의 府’참조)를 더 포함할 수 있다. 상기 추가 전극 및 전기장 인가기를 통해 상기 강유전성 박막(121)의 분극 강도를 조절함으로써, 상기 강유전성 박막(121)에 의해 생성되는 전류를 조절할 수 있다. In one embodiment, the optical sensor 100 is disposed between the ferroelectric thin film 121 and the substrate 140, and applies an electric field to the ferroelectric thin film 121 to increase the polarization strength of the ferroelectric thin film 121. It may further include an additional electrode (see '底' in FIG. 2) that adjusts and an electric field applicator (see '府' in FIG. 2) that applies a voltage to the additional electrode. By adjusting the polarization strength of the ferroelectric thin film 121 through the additional electrode and the electric field applicator, the current generated by the ferroelectric thin film 121 can be adjusted.
본 발명의 광센서에 따르면, 외부 전력의 사용 없이 파이로 전기 특성을 갖는 강유전성 박막으로부터 생성된 광전류를 감지함으로써, 목적물을 실시간으로 감지할 수 있다. According to the optical sensor of the present invention, a target can be detected in real time by detecting a photocurrent generated from a ferroelectric thin film with pyroelectric properties without using external power.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 장치를 설명하기 위한 도면이다. Figure 2 is a diagram for explaining a memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 메모리 장치(200)는 메모리 소자(210), 전기장 인가기(220), 광원(230) 및 전류검출기(240)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the memory device 200 according to an embodiment of the present invention may include a memory element 210, an electric field applicator 220, a light source 230, and a current detector 240.
상기 메모리 소자(210)는 강유전성 박막(211), 제1 전극(212) 및 제2 전극(213)을 포함할 수 있다. 한편, 상기 메모리 소자(210)는 상기 강유전성 박막(211)과 상기 제2 전극(213) 사이에 배치된 절연막(214)을 더 포함할 수 있다. The memory device 210 may include a ferroelectric thin film 211, a first electrode 212, and a second electrode 213. Meanwhile, the memory device 210 may further include an insulating film 214 disposed between the ferroelectric thin film 211 and the second electrode 213.
상기 강유전성 박막(211) 및 상기 제1 전극(212)은 도 1을 참조하여 설명한 광센서(100)의 강유전성 박막(121) 및 전극(122)과 각각 실질적으로 동일하므로, 이들에 대한 중복된 상세한 설명은 생략한다. Since the ferroelectric thin film 211 and the first electrode 212 are substantially the same as the ferroelectric thin film 121 and the electrode 122 of the optical sensor 100 described with reference to FIG. 1, redundant detailed information about them is provided. The explanation is omitted.
상기 제2 전극(213)은 상기 강유전성 박막(211)을 사이에 두고 상기 제1 전극(212)과 대향하게 배치될 수 있고, 상기 전기장 인가기(220)는 상기 강유전성 박막(121)에 전기장을 인가하기 위한 펄스 전압을 상기 제2 전극(213)에 인가될 수 있다. The second electrode 213 may be disposed to face the first electrode 212 with the ferroelectric thin film 211 interposed therebetween, and the electric field applicator 220 applies an electric field to the ferroelectric thin film 121. A pulse voltage may be applied to the second electrode 213.
일 실시예에 있어서, 상기 전기장 인가기(220)는 상기 제2 전극(213)에 하나 이상의 양의 펄스 전압 및 하나 이상의 음의 펄스 전압을 인가할 수 있다. 상기 양의 펄스 전압 및 음의 펄스 전압은 약 1 내지 100 ms의 폭을 가질 수 있다. 그리고 상기 양의 펄스 전압이 복수의 서로 다른 크기를 갖는 펄스 전압들을 포함하는 경우, 각 펄스 전압의 크기에 따라 상기 유전성 박막(211)은 서로 다른 분극 상태를 가질 수 있다. 그리고 상기 음의 펄스 전압이 복수의 서로 다른 크기를 갖는 펄스 전압들을 포함하는 경우, 역시 각 펄스 전압의 크기에 따라 상기 유전성 박막(211)은 서로 다른 분극 상태를 가질 수 있다. 한편, 상기 제2 전극(213)에 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 강유전성 박막(211)의 분극 강도는 최종 인가된 펄스 전압에 의해 유도된 분극 상태를 유지하는 비휘발성 특성을 가질 수 있다. In one embodiment, the electric field applicator 220 may apply one or more positive pulse voltages and one or more negative pulse voltages to the second electrode 213. The positive pulse voltage and negative pulse voltage may have a width of about 1 to 100 ms. And when the positive pulse voltage includes a plurality of pulse voltages having different magnitudes, the dielectric thin film 211 may have different polarization states depending on the magnitude of each pulse voltage. And when the negative pulse voltage includes a plurality of pulse voltages having different magnitudes, the dielectric thin film 211 may have different polarization states depending on the magnitude of each pulse voltage. Meanwhile, when no voltage is applied to the second electrode 213, the polarization strength of the ferroelectric thin film 211 may have non-volatile characteristics that maintain the polarization state induced by the final applied pulse voltage.
상기 광원(230)은 상기 메모리 소자(210) 중 상기 제1 전극(212)의 상부에 배치되어 상기 강유전성 박막(211)에 펄스 광을 조사할 수 있고, 상기 전류검출기(240)는 상기 펄스 광의 조사에 의해 상기 강유전성 박막(211)으로부터 생성되는 전류를 검출하고, 이를 통해 상기 강유전성 박막(211)의 분극 상태, 즉 상기 전기장 인가기(220)에 의해 상기 메모리 소자(210)에 입력된 비휘발성 정보를 읽을 수 있다. The light source 230 is disposed on top of the first electrode 212 of the memory element 210 and can irradiate pulsed light to the ferroelectric thin film 211, and the current detector 240 is configured to emit pulsed light. Detect the current generated from the ferroelectric thin film 211 by irradiation, and through this detect the polarization state of the ferroelectric thin film 211, that is, the non-volatile state input to the memory element 210 by the electric field applicator 220. Information can be read.
일 실시예에 있어서, 상기 광원(230)은 상기 강유전성 박막(211)에 적외선 영역에 속하는 파장을 갖고, 약 0.01 내지 100 ms의 폭을 갖는 펄스 광을 조사할 수 있다. In one embodiment, the light source 230 may irradiate the ferroelectric thin film 211 with pulsed light having a wavelength in the infrared region and a width of about 0.01 to 100 ms.
본 발명의 메모리 장치에 따르면, 다양한 크기의 전기장을 이용하여 파이로 전기 특성을 갖는 강유전성 박막의 분극 상태를 다양하게 제어하는 것이 가능하여, 다중 저장 상태의 구현이 용이하고, 저장된 정보를 광학적으로 읽을 수 있어서 정보의 독출 속도를 현저하게 향상시킬 수 있다. According to the memory device of the present invention, it is possible to control the polarization state of a ferroelectric thin film with pyroelectric properties in various ways using electric fields of various sizes, making it easy to implement multiple storage states and optically read the stored information. This can significantly improve the reading speed of information.
이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
[실시예][Example]
초고순도(99.999) HfO2 타겟을 사용하는 대면적 RF 스퍼티링 기술을 사용하여, 낮은 저항(1×10-3 Ωcm)의 p-Si 기판 상에 HfO2 박막을 증착하였다. 증착 전에, Si 기판은 아세톤, 알콜 및 프로판올을 사용하여 초음파적으로 세정하였고, 이어서 질소를 사용하여 건조하였다. HfO 2 thin films were deposited on low-resistance (1×10-3 Ωcm) p-Si substrates using a large-area RF sputtering technique using an ultra-high purity (99.999) HfO 2 target. Before deposition, the Si substrate was ultrasonically cleaned using acetone, alcohol and propanol, and then dried using nitrogen.
구체적으로, RF 스퍼터링은 100W의 파워 및 10 mTorr의 작업 압력에서 수행되었다. 작업 압력을 유지하기 위해, 30 sccm의 유속을 갖는 초고순도 아르곤 가스가 사용되었다. 상온에서 HfO2 증착 이후, 50 sccm 유속의 질소 대기 분위기 및 600 ℃의 온도 조건 하에서, 30분 동안 급격한 열적 어닐링이 수행되었고, 이에 의해 HfO2 박막은 결정화되었다. Specifically, RF sputtering was performed at a power of 100 W and an operating pressure of 10 mTorr. To maintain the working pressure, ultra-high purity argon gas with a flow rate of 30 sccm was used. After HfO 2 deposition at room temperature, rapid thermal annealing was performed for 30 minutes under nitrogen atmosphere at a flow rate of 50 sccm and a temperature of 600° C., whereby the HfO 2 thin film was crystallized.
[실험예][Experimental example]
도 3은 HfO2/SiO2/Si의 단면 TEM 이미지(‘도 3a’), HfO2의 올소롬빅 결정상과 모노클리닉 결정상을 각각 보여주는 TEM 이미지들(‘도 3b’, ‘도 3c’), Hf 및 O에 대응하는 EELS 맵핑 결과(‘도 3d’), HfO2/SiO2/Si의 단면 STEM 이미지(‘도 3e’), HfO2 박막의EELS 스펙트럼(‘도 3f’) 및 HfO2 박막의 XRD 스펙트럼(‘도 3g’)을 나타낸다. Figure 3 shows a cross-sectional TEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si ('Figure 3a'), TEM images showing the orthorhombic crystal phase and monoclinic crystal phase of HfO 2 ('Figure 3b', 'Figure 3c'), respectively, and Hf and EELS mapping results corresponding to O ('Figure 3d'), cross-sectional STEM image of HfO 2 /SiO 2 /Si ('Figure 3e'), EELS spectrum of HfO 2 thin film ('Figure 3f') and HfO 2 thin film. The XRD spectrum ('Figure 3g') is shown.
도 3a에 도시된 바와 같이, HfO2 박막의 두께(d)는 약 10nm이고, 계면에 비정질 산화물(SiO2, d=3nm)이 존재하였다. 또한, 저해상도 단면 TEM은 HfO2 박막이 약 12~20nm의 측면 사이즈를 갖는 타이트하게 패킹되고 연장된 나노컬럼 그레인들로 이루어지고, 그레인 바운데리들은 SiO2/Si 면에 수직하게 형성된 것으로 확인되었다. As shown in Figure 3a, the thickness (d) of the HfO 2 thin film was about 10 nm, and amorphous oxide (SiO 2 , d = 3 nm) existed at the interface. In addition, low-resolution cross-sectional TEM confirmed that the HfO 2 thin film is composed of tightly packed and elongated nanocolumn grains with a lateral size of approximately 12 to 20 nm, and that grain boundaries are formed perpendicular to the SiO 2 /Si plane. .
도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, HfO2 박막이 비-중심대칭성 올소롬빅(Pca21)과 모노클리닉(centrosymmetric space group P21/c) 상들의 혼합물로 이루어져 있었고, 모노클리닉 상은 상온 및 대기 압력에서 형성되는 가장 일반적인 결정상이다. 도 3b의 직사각형에 도시된 바와 같이, 확대된 TEM 이미지는 그레인이 약간 뒤틀린 헥사고날 배열 원자들을 갖는 올소롬빅 결정 구조를 나타냄을 보여주었다. 이러한 뒤틀림은 주로 그레인 바운데리들 및 산소 공공과 같은 요인들 때문이고, 이들은 HfO2의 강유선전 거동을 촉진하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 평균 층간 거리(약 0.29nm)는 모노클리닉 HfO2 상의 (111) 면과 가깝게 일치하였다. (도 3의 c의 삽도에서의 라인 프로파일 참조) HfO2의 모노클리닉 상은 안정한 형태로서, 비정질 필름이 모노클리닉 상으로 변화할 때 완전한 상전이가 일어날 수 있다. 반면, 급격한 열적 어닐링 및 이어지는 냉각을 통해, 비정질 HfO2 박막은 테트라고날 상으로 전환된 후 올소롬빅 상으로 변환될 수 있다. As shown in Figures 3b and 3c, the HfO 2 thin film was composed of a mixture of non-centrosymmetric allorhombic (Pca21) and monoclinic (centrosymmetric space group P21/c) phases, and the monoclinic phase was at room temperature and atmospheric pressure. It is the most common crystalline phase formed. As shown in the rectangle in Figure 3b, the enlarged TEM image showed that the grains exhibited an orthocomb crystal structure with slightly distorted hexagonal array atoms. This distortion is mainly due to factors such as grain boundaries and oxygen vacancies, which may play an important role in promoting the ferrostatic behavior of HfO 2 . The average interlayer distance (about 0.29 nm) closely matched the (111) plane of the monoclinic HfO 2 phase. (See the line profile in the inset of Figure 3c) The monoclinic phase of HfO 2 is a stable form, and a complete phase transition can occur when the amorphous film changes to the monoclinic phase. On the other hand, through rapid thermal annealing and subsequent cooling, the amorphous HfO 2 thin film can be converted to the tetragonal phase and then to the orthorombic phase.
도 3d에 도시된 바와 같이, 단면 EELS(electron energy loss spectroscopy) 맵핑에 의해 수집된 원소 맵핑에 의해 HfO2의 증착이 확인되었다. 하프늄 및 산소 원소에 대응하는 원소 분포가 소자 기하학과는 일치하지 않았고, 하프늄과 산소 원소의 균일하고 공동화된 분포를 보여주었다. As shown in Figure 3d, the deposition of HfO 2 was confirmed by elemental mapping collected by cross-sectional electron energy loss spectroscopy (EELS) mapping. The elemental distributions corresponding to hafnium and oxygen elements did not match the device geometry, showing a uniform and cavitated distribution of hafnium and oxygen elements.
도 3e에서 수직 화살표에 의해 설명된 바와 같이, SiO2(계면)로부터 상부까지의 단면 EELS 스펙트럼이 기록되었다. SiO2로부터의 EELS 스펙트럼은 약 531.3 eV에서 현저한 피크를 보여주었고, 이는 도 3의 f에 도시된 바와 같이 O-K 에지를 확증한다. O-K 에지 피크는 낮은 에너지쪽으로 이동하고, HfO2에 대응되는 피크가 528.4 eV에 나타났다. 또한 native 산화물(SiO2)로부터 HfO2까지 수집된 EELS 스펙트럼은 백그라운드에 의해 표시된 바와 같이, HfO2 층에서 528.4 eV 전 프리 피크 돌기(hump)를 보여줬다. 이러한 프리 피크 돌기는 O 1s로부터 O 2p 준위와 혼합된 채워지지 않은 Hf 5d 까지의 전자 전송과 관련되고, 산소 자리들 상의 정공 또는 산소 공공의 존재를 나타낸다. 단면 TEM 이미지에 도시된 바와 같이, EELS 스펙트럼은 또한 스퍼터링을 사용한 결함이 있는 HfO2 박막의 성장을 확인시켜 주었다. A cross-sectional EELS spectrum was recorded from SiO 2 (interface) to the top, as illustrated by the vertical arrow in Figure 3e. The EELS spectrum from SiO 2 showed a prominent peak at approximately 531.3 eV, confirming the OK edge as shown in Figure 3f. The OK edge peak moved toward low energy, and the peak corresponding to HfO 2 appeared at 528.4 eV. Additionally, the EELS spectrum collected from the native oxide (SiO 2 ) to HfO 2 showed a pre-peak hump at 528.4 eV before in the HfO 2 layer, as indicated by the background. These pre-peak projections are associated with electron transfer from O 1s to unfilled Hf 5d mixed with O 2p levels and indicate the presence of holes or oxygen vacancies on oxygen sites. As shown in the cross-sectional TEM image, the EELS spectrum also confirmed the growth of defective HfO 2 thin films using sputtering.
도 3g에 도시된 바와 같이, XRD 스펙트럼은 30.33°31.44°및 35.36°의 2θ에서 다중 특성 피크들을 나타내었다. 30.33°에서의 피크는 올소롬빅 상의 (111) 면을 나타내고, 다른 2개의 피크들(31.44°및 35.56°)은 모노클리닉 상의 (111) 및 (002) 격자면에 각각 대응된다. XRD 스펙트럼은 필름이 다결정 결정 구조를 갖고, 올소롬빅(#-HfO2) 및 모노클리닉(m-HfO2) 상들이 공존함을 확인시켜 주었다. 도 3의 g의 삽도는 모노클리닉 및 올소롬빅 HfO2의 단위셀을 보여준다. As shown in Figure 3g, the XRD spectrum showed multiple characteristic peaks at 2θ of 30.33°31.44° and 35.36°. The peak at 30.33° represents the (111) plane of the orthocomb phase, and the other two peaks (31.44° and 35.56°) correspond to the (111) and (002) lattice planes of the monoclinic phase, respectively. The XRD spectrum confirmed that the film had a polycrystalline crystal structure and that orthocomb (#-HfO2) and monoclinic (m-HfO2) phases coexisted. The inset in Figure 3g shows a unit cell of monoclinic and orthorombic HfO 2 .
실시예에 따라 RF 스퍼터링을 통해 성장된 HfO2 박막에 대한 TEM, EELS 및 XRD 분석은 HfO2가 모노클리닉 상과 올소롬빅 상을 함유함을 명확하게 보여주었다. TEM, EELS and
도 4는 HfO2 박막에 대한 서로 다른 스캔 전압 영역을 갖는 P-V 히스테리시스 곡선(‘도 4a’), 이중 펄스 측정 결과(‘도 4b’), 분극 안정성 측정 결과(‘도 4c’), 그래뉼 구조를 보여주는 표면 형태(‘도 4d’), PFM 상 및 크기(‘도 4e’), 전압 변화에 따른 PFM 시스테리 상 루프(‘도 4f’), PFM 상 이미지(‘도 4g’), 산소 결함 비율에 따라 계산된 분극 상태 변화('도 4h') 및 원자 변위에 따른 상대적인 에너지 변화(‘도 4i’)를 나타낸다.Figure 4 shows the PV hysteresis curve ('Figure 4a'), the double pulse measurement result ('Figure 4b'), the polarization stability measurement result ('Figure 4c'), and the granule structure with different scan voltage regions for the HfO 2 thin film. Showing surface morphology ('Figure 4d'), PFM phase and size ('Figure 4e'), loops on PFM cisterns as a function of voltage ('Figure 4f'), PFM image ('Figure 4g'), and oxygen defect ratio. The polarization state change ('Figure 4h') calculated according to and the relative energy change ('Figure 4i') according to atomic displacement are shown.
도 4a에 도시된 바와 같이, HfO2 박막에 대해 히스테리시스 루프에서 루프 오프닝이 스캐닝 전압 영역의 증가에 따라 향상되었다. 구체적으로, 루프 오프닝(즉, 2P)은 0→+1.0→0→-1.0→0V의 스캔 전압들에 대해 2.52 μCcm-1인 반면, ±8.0V 스캐닝에 대해 4.93 μCcm-1으로 향상되었다. 또한, P-V 측정동안 수집된 전류-전압은 분극 스위칭과 관련된 2가지 독특한 전류 피크를 나타내었다. P-V 곡선에서의 명백한 루프 오프닝 및 대응되는 I-V 측정에서의 피크들의 출현은 소자의 강유전성 거동을 나타낸다. 히스테리시스 루프가 P-V 결과에서 나타났음에도 불구하고, 그것은 포화되지 않았다. HfO2 박막의 강유전성 특성은 이중 파지티브 업-네거티브 다운 펄스들(V=±8.0V, 폭(w)=10μs) 측정들에 의해서도 확인되었다. As shown in Figure 4a, the loop opening in the hysteresis loop was improved with increasing scanning voltage area for the HfO 2 thin film. Specifically, the loop opening (i.e., 2P) was 2.52 μCcm -1 for scan voltages of 0→+1.0→0→-1.0→0V, while it improved to 4.93 μCcm -1 for ±8.0V scanning. Additionally, the current-voltage collected during PV measurements showed two distinct current peaks related to polarization switching. The apparent loop opening in the PV curve and the appearance of the corresponding peaks in the IV measurement indicate the ferroelectric behavior of the device. Although a hysteresis loop appeared in the PV results, it was not saturated. The ferroelectric properties of the HfO 2 thin film were also confirmed by measurements of dual positive up-negative down pulses (V = ±8.0 V, width (w) = 10 μs).
도 4b에 도시된 바와 같이, 이중 펄스 측정 동안 측정된 포인트-1 및 포인트-2에서의 전류에 있어서, 첫 번째 펄스에 대응되는 전류(IP+C)는 유사한 크기 및 극성을 갖는 두 번째 펄스 (IC)에 대응되는 전류에 비해 상대적으로 높았다. 첫 번째 펄스(포인트-1)에 의해 생성된 전류는 분극 스위칭과 커패시터 충전 전류(IP+C) 모두를 생성하였음에 반해, 두 번째 펄스(포인트-2)에 의해서는 어떠한 분극도 발생하지 않았으므로, 커패시터 충전 전류(IC)만이 나타났다. 따라서, 이중 펄스 측정은 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자에서의 분극의 또다른 증거를 제공하였다. As shown in Figure 4b, for the currents at point-1 and point-2 measured during the double pulse measurement, the current ( IP+C ) corresponding to the first pulse is similar to that of the second pulse with similar magnitude and polarity. (I C ) was relatively high compared to the corresponding current. The current generated by the first pulse (point-1) produced both polarization switching and capacitor charging current ( IP+C ), whereas the second pulse (point-2) produced no polarization. Therefore, only the capacitor charging current ( IC ) was shown. Therefore, double pulse measurements provided further evidence of polarization in AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si devices.
도 4c에 도시된 바와 같이, 다수의 반복을 가진 3가지 전압, 즉, +3.0, +5.0 및 +8.0 V에 대응하는 강유전성 분극의 스타빌레 플리핑(stabile flipping)이 확인되었고, 분극은 재생 가능한 거동을 보여주었다. As shown in Figure 4c, stabile flipping of the ferroelectric polarization corresponding to three voltages with multiple repetitions, namely +3.0, +5.0 and +8.0 V, was confirmed, and the polarization was reproducible. showed behavior.
도 4d에 도시된 바와 같이, AFM(atomic force microscopy) 측정에 의해 수집된 표면 지형은 HfO2 필름이 최밀 패킹되어 있고, 랜덤하게 분포되어 있고 20±10 nm의 평균 측면 크기를 갖는 알갱이 상 구조를 함유함을 보여주었다. As shown in Figure 4d, the surface topography collected by atomic force microscopy (AFM) measurements shows that the HfO 2 film is closely packed, randomly distributed, and contains a granular phase structure with an average lateral size of 20 ± 10 nm. showed that
도 4e에 도시된 바와 같이, PFM(piezoelectric-force microscopy) 분석 결과는 HfO2 박막의 강유전성 도메인 및 스위칭 거동에 대한 미세구조 정보를 제공하였다. As shown in Figure 4e, the piezoelectric-force microscopy (PFM) analysis results provided microstructural information about the ferroelectric domain and switching behavior of the HfO 2 thin film.
도 4e, 도 4f 및 도 4g에 도시된 out-of-plane phase map은 공간 대비 변화(spatial contrast change)를 보여주었고, 이는 상방(red contrast) 및 하방(blue contrast) 분극 모두를 갖는 나노스케일 강유전성 도메인을 증명하였으며, 이는 HfO2의 자발 분극을 제안한다. 또한, 약 1.0 V의 강제 전압에서의 상 변화들(약 180°) 및 지엽적인 히스테리시스 루프가 ±2.0V 영역에서의 전압 스위핑에서 나타났고, 이는 분극 스위칭 및 이로 인해 소자가 나노스케일에서도 강유전 성질을 가짐을 나타낸다. 또 다른 증거로서, -2.0 V의 팁 전압(Vtip)으로 작은 면적(1.6×1μm2)이 스캔한 결과, 우선 방향을 따른 HfO2 박막에서의 분극 플리핑을 야기되었다. 전방으로 이동하여, PFM 측정이 큰 면적(4×4μm2)에 걸쳐 수행되었다. 상 이미지는 -2V의 외부 바이어스를 인가함에 의해 영역 전반의 잘 정의된 분극에 대응되는 밝고/어두운 콘트라스 영역들로 구성되어 있고(도 4g의 중심 영역 참조), 이는 HfO2 박막의 강유전성 성질을 강하게 암시한다. The out-of-plane phase maps shown in Figures 4e, 4f, and 4g showed spatial contrast changes, indicating nanoscale ferroelectricity with both upward (red contrast) and downward (blue contrast) polarization. The domain was demonstrated, suggesting spontaneous polarization of HfO 2 . Additionally, phase changes (about 180°) at a forcing voltage of about 1.0 V and a local hysteresis loop appeared in voltage sweeping in the ±2.0 V region, which leads to polarization switching and thus the device exhibits ferroelectric properties even at the nanoscale. It indicates possession. As further evidence, scanning a small area (1.6 × 1 μm 2 ) with a tip voltage (V tip ) of -2.0 V resulted in polarization flipping in the HfO2 film along the preferred direction. Moving forward, PFM measurements were performed over a large area (4 × 4 μm 2 ). The image image consists of bright/dark contrast regions corresponding to a well-defined polarization across the region by applying an external bias of -2 V (see central region in Figure 4g), which strongly demonstrates the ferroelectric properties of the HfO 2 thin film. hints
이전에 보고된 바와 같이, HfO2의 강유전성은 비-중심대칭성 올소롬빅 상 Pca21과 관련되고, 이의 내부에서는 [001] 방향으로 분극이 일어난다. 따라서, 올소롬빅 상을 사용한 DFT(density functional theory)를 통해, 분극이 결함 밀도의 함수로 계산되었다. As previously reported, the ferroelectricity of HfO 2 is associated with the non-centrosymmetric allorhombic phase Pca21, inside which polarization occurs in the [001] direction. Therefore, the polarization was calculated as a function of defect density through density functional theory (DFT) using the orthocomb phase.
도 4h에 도시된 바와 같이, 분극의 크기는 결함 밀도가 증가함에 따라 증가되었고, 16.6%의 결함 밀도에서 최대값 62 μCcm-2에 도달하였다. 반면, 결함 밀도가 추가로 증가함에 의해, 분극은 급격히 감소하였다. As shown in Figure 4h, the magnitude of polarization increased with increasing defect density and reached a maximum value of 62 μCcm -2 at a defect density of 16.6%. On the other hand, as the defect density further increased, the polarization decreased rapidly.
도 4i에 도시된 바와 같이, 올소롬빅 HfO2에서의 포텐셜 배리어는 약 177.4 meV인 것으로 계산되었고, 이는 8.3%의 결함 밀도에서 153 meV까지 감소되었다. 그러나 배리어 높이는 결함 밀도가 추가로 증가함에 따라 급격하게 증가하였다.(삽도 참조) DFT 계산은 HfO2 박막 내 산소 공공의 존재가 HfO2 박막의 분극을 향상시킬 뿐만 아니라 산소 마이그레이션에 대한 유효 배리어를 감소시킴을 나타내었다. As shown in Figure 4i, the potential barrier in orthorombic HfO2 was calculated to be about 177.4 meV, which was reduced to 153 meV at a defect density of 8.3%. However, the barrier height increased rapidly with further increase in defect density (see inset). DFT calculations show that the presence of oxygen vacancies in the HfO 2 thin film not only enhances the polarization of the HfO 2 thin film but also reduces the effective barrier to oxygen migration. Sikkim is shown.
도 5는 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자에 대해, 셀프 바이서 조건에서 측정된 순간적인 광응답(‘도 5a’, '도 5b'), 작동 매커니즘을 보여주는 개략도(‘도 5c’), 단일 펄스 광에 대응되는 광응답 변화(‘도 5d’), 펄스 광 세기에 따른 광응답의 변화(‘도 5e’, ‘도 5f’) 및 파이로 광전류 피크의 온도 의존적 변화(‘도 5g’, ‘도 5h’)를 나타낸다. Figure 5 shows the instantaneous photoresponse ('FIG. 5a', 'FIG. 5b') measured under self-buyer conditions for AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device, and a schematic diagram showing the operating mechanism ('FIG. 5c'). , the change in photoresponse corresponding to a single pulse of light ('Figure 5d'), the change in photoresponse according to pulsed light intensity ('Figure 5e', 'Figure 5f'), and the temperature-dependent change of the pyrophotocurrent peak ('Figure 5g). ', 'Figure 5h').
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, HfO2(d=10nm)는 절연체이므로, AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자는 전압이 인가되지 않으면 근적외선 포톤 조사에 어떠한 광전류 신호를 보여주지 않을 것으로 예측되고, 실제로, 소자는 연속 및/또는 펄스 광 조사(λ=940 nm, 강도(L)=4 mWcm-2)에 광전 효과에 따른 광전류를 보여주지 않았다. 그러나, 흥미롭게도, 도 5a의 수직 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 제로 바이어스 조건 하에서 100μs의 스위칭 속도의 광조사 온/오프 동안 2가지 독특하고 샤프한 전류 피크가 나타났고, 이는 순간적인 포톤 조사 유도 표면 온도 변화 때문에 나타난 것으로 판단된다. 실제로, 순간적인 포톤 조사와 함께 표면 온도 변화가 일어났고, 그 결과 비-중심대칭성 물질의 상부 및 하부 사이에 포텐셜 차이가 생성되었고, 이러한 효과는 파이로 전기-광전 효과로서 알려져 있다. As shown in Figures 5a and 5b, since HfO 2 (d = 10 nm) is an insulator, AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si devices are expected to show no photocurrent signal upon near-infrared photon irradiation unless voltage is applied. , in fact, the device did not show photocurrent due to the photoelectric effect upon continuous and/or pulsed light irradiation (λ=940 nm, intensity (L)=4 mWcm -2 ). However, interestingly, as indicated by the vertical arrows in Fig. 5a, two distinct and sharp current peaks appeared during photoirradiation on/off at a switching speed of 100 μs under zero bias conditions, which correspond to the instantaneous photon irradiation-induced surface temperature. It is believed that it appeared due to change. In fact, with instantaneous photon irradiation, a change in surface temperature occurs, resulting in a potential difference between the top and bottom of the non-centrosymmetric material, an effect known as the pyro-electro-photoelectric effect.
제로 바이어스 조건(λ=940 nm, 강도=4 mWcm-2) 하에서의 전류 on/off 비율(Ipy/Idark, Ipy 및 Idark는 소자의 파이로 전기 광전류 및 암전류를 각각 나타냄)은 2×103인 것으로 측정되었고, 이러한 높은 Ipy/Idark 값은 소자가 광응답에 고도로 민감함을 확인시켜 준다. 또한, 재생 가능한 거동이 많은 수의 펄스 광 조사로 테스트되었고, 놀랍게도 전류 피크들이 견실하게 나타났고, 테스트 동안 주목할만한 피크의 감퇴가 나타나지 않았다. 이러한 피크들의 출현은 소자가 셀프 바이어스 조건 하에서 광 조사를 감지할 수 있다는 것을 명백하게 보여준다. The current on/off ratio (I py /I dark , I py and I dark represent the pyroelectric photocurrent and dark current of the device, respectively) under zero bias conditions (λ = 940 nm, intensity = 4 mWcm -2 ) is 2 It was measured to be 10 3 , and this high I py /I dark value confirms that the device is highly sensitive to photoresponse. Additionally, the reproducible behavior was tested with a large number of pulsed light irradiations, and surprisingly, the current peaks appeared robustly and there was no notable peak decay during the test. The appearance of these peaks clearly shows that the device can sense light irradiation under self-bias conditions.
광조사 on/off 조건 동안의 이러한 2가지 전류 피크의 생성은 순간적인 광조사 유도 표면 온도 변화 때문이고, 이는 유효 분극에서의 변화 및 이에 의해 야기되는 표면 포텐셜을 야기할 수 있다. 실제로, 순간적인 광 조사는 표면 온도를 T로부터 T+△T까지 상승시키고, 이는 도 5c에 개략적으로 도시된 바와 같이, P로부터 P-△P로 유효 분극을 조절할 수 있다. 이러한 분극에서의 변화는 상부(AgNWs)와 바닥(low resistive Si) 전극들 사이에 포텐셜(즉, 파이로 전기-광전 포텐셜)의 차이를 생성하고, 이는 샤프한 피크의 출현을 야기할 수 있다. The generation of these two current peaks during light irradiation on/off conditions is due to the instantaneous light irradiation-induced surface temperature change, which may cause a change in the effective polarization and thereby the surface potential. In fact, instantaneous light irradiation increases the surface temperature from T to T+ΔT, which can adjust the effective polarization from P to P−ΔP, as schematically shown in Figure 5c. This change in polarization creates a difference in potential (i.e., pyroelectric-photoelectric potential) between the top (AgNWs) and bottom (low resistive Si) electrodes, which can cause the appearance of sharp peaks.
광 조사 OFF 조건에서 샤프한 역전류(reverse current) 피크(-Ipy) 발견되었고, 이는 주로 표면 온도 유동 및 이에 따른 순간적인 역 파이로 전기 포텐셜(reverse pyropotential)때문에 기원한다. 한편, 광의 연속적인 조사는 어떠한 광전류도 생성하지 않았고, 이는 등온 가열이 파이로 전기 포텐셜을 생성할 수 없음을 확인시켜 주고, 이러한 결과는 강유전성 기반 소자의 파이로 전기 거동과 잘 부합한다. A sharp reverse current peak (-I py ) was found under light irradiation OFF conditions, which mainly originates from the surface temperature flow and the resulting instantaneous reverse pyropotential. Meanwhile, continuous irradiation of light did not generate any photocurrent, confirming that isothermal heating cannot generate pyroelectric potential, and these results are in good agreement with the pyroelectric behavior of ferroelectric-based devices.
소자의 실제 어플리케이션 적용을 위한 주요 요구조건으로서, 파이로 전기-광감지기의 응답 속도가 순간 응답에 의해 측정되었다. As a key requirement for practical application of the device, the response speed of the pyroelectric-optical detector was measured by instantaneous response.
광조사 ON 조건 동안의 Ipy의 확대도가 도 5d에 도시되어 있다. 전류는 60μs(즉, rise time) 이내에 피크 값의 10~90%에 도달하였고, 점차적으로 감퇴되었다. 이러한 초급속 응답 시간은 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자가 초급속 IR 광감지기로 디자인하는데 사용될 수 있음을 확인시켜 준다. 전류는 light on/off 조건 이후 점차적으로 감소되었고, 단시간(20 ms) 이내에 초기 수준(Idark)으로 복귀하였다. 이러한 점진적인 Ipy 변화는 열적 평형 상태로 복귀하기 위한 표면 온도 변화 속도와 관련된다. 따라서, 이러한 빠른 감소는 전도 영역의 깊이가 얕다는 것을 암시한다. 지배 동역학의 또 다른 증거로서, 피크 값을 초과하는 전류 감소(도 5d에서 피팅 점선을 참조)는
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000001
(t=시간)의 관계에 의존하고, 이는 파이로 전기 전류는 HfO2 박막의 표면에 근접하여 기원한다는 것을 확인시켜 준다.
An enlarged view of I py during light irradiation ON conditions is shown in Figure 5d. The current reached 10 to 90% of the peak value within 60 μs (i.e., rise time) and gradually decayed. This ultrafast response time confirms that AgNWs/HfO2/SiO2/Si devices can be used to design ultrafast IR photodetectors. The current gradually decreased after the light on/off condition and returned to the initial level (I dark ) within a short period of time (20 ms). This gradual change in Ipy is related to the rate of change in surface temperature to return to thermal equilibrium. Therefore, this rapid decrease suggests that the depth of the conduction region is shallow. As further evidence of dominant dynamics, the current decrease beyond the peak value (see fitting dashed line in Figure 5d)
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000001
(t=time), which confirms that the pyroelectric current originates close to the surface of the HfO 2 thin film.
또한, 광전류가 순수하게 HfO2 때문에 기원한다는 것을 확인하기 위해, AgNWs/Al2O3/HfO2/SiO2/Si 및 AgNWs/Al2O3/SiO2/Si를 준비하였고, 유사한 조건(L=4 mWcm-2) 하에서 광전류를 측정하였다. 그러나 이러한 소자들 중 어느 것도 Ipy 피크를 보여주지 않았고, 이는 파이로 전기-광응답에서 강유전성 HfO2의 중요하고 직접적인 역할을 확인시켜 준다. Additionally, to confirm that the photocurrent originates purely due to HfO2, AgNWs/Al 2 O 3 /HfO 2 /SiO 2 /Si and AgNWs/Al 2 O 3 /SiO 2 /Si were prepared, and similar conditions (L = The photocurrent was measured under 4 mWcm -2 ). However, none of these devices showed an Ipy peak, confirming the important and direct role of ferroelectric HfO 2 in the pyroelectric-photonic response.
도 5e 및 도 5f에 도시된 바와 같이, 0.5 mWcm-2로부터 4 mWcm-2까지 광의 조사 강도가 증가함에 따라 전류 크기는 8.3 nA으로부터 68.67 nA까지 점진적으로 증가하였다. 이러한 광 강도 의존적인 Ipy의 변화는 광 강도에 따른 향상된 온도 변화 속도 때문이다. 또한, 전류의 변화는 [δ/Imean]×100% 값에 의해 표현될 수 있고, 여기서 δ는 Ipy 및 평균 전류 값인 Imean의 분포의 최대의 절반에서의 전체 폭[full width at half maxima, FWHM]을 나타낸다. 흥미롭게도, 변화는 모든 소자에 대해 Ipy 생성에서 3% 미만으로 유지되었다. 특히, 이러한 최소 변화는 재생 가능한 소자 동작의 보다 정밀한 제어를 가능하게 하였다. As shown in Figures 5e and 5f, as the irradiation intensity of light increased from 0.5 mWcm -2 to 4 mWcm -2 , the current size gradually increased from 8.3 nA to 68.67 nA. This light intensity-dependent change in Ipy is due to the enhanced temperature change rate depending on light intensity. Additionally, the change in current can be expressed by the value [δ/I mean ]×100%, where δ is the full width at half maxima of the distribution of Ipy and the average current value, Imean . , FWHM]. Interestingly, the variation remained below 3% in Ipy generation for all devices. In particular, these minimal changes enabled more precise control of reproducible device operation.
순간적인 광 조사 유도 표면 온도 변화는 Ipy의 주요 원인이기 때문에, Ipy에 대한 외부 온도의 효과가 추가적으로 조사되었다. 도 5g는 온도 변화에 따른 Ipy 거동에서의 변화를 보여준다. Ipy 피크의 크기는 전반적인 소자의 온도 증가에 따라 감소되었고, 이는 강한 온도 의존적인 성능을 보여준다. Ipy에서의 이러한 변화는 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자의 효과적인 분극은 외부 온도로 조절할 수 있음을 나타낸다. 명확성을 위해, 최대 Ipy의 변화가 도 5h에 표시되어 있고, 이는 온도에 따른 점진적인 감소를 보여주며, 이는 소자를 비접촉 온도 센서를 독출하는데 적용할 수 있음을 보여주는 결과이다. Since the instantaneous light irradiation-induced surface temperature change is the main cause of I py , the effect of external temperature on I py was additionally investigated. Figure 5g shows the change in Ipy behavior with temperature change. The size of the I py peak decreased as the overall device temperature increased, showing strong temperature-dependent performance. This change in I py indicates that the effective polarization of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device can be controlled by external temperature. For clarity, the change in maximum I py is plotted in Figure 5h, showing a gradual decrease with temperature, a result showing that the device can be applied to read non-contact temperature sensors.
도 6은 펄스 광의 연속적인 조사 조건 하에서 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자의 Si 기판에 펄스 전압을 인가하기 전후의 파이로 광응답을 측정한 결과를 나타내는 그래프들('도 6a', '도 6b'), AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자의 작동 메커니즘을 설명하기 위한 그리('도 6c'), 인가된 펄스 전압의 형태('도 6d')에 따른 광은답의 변화를 측정한 결과('도 6e')를 나타낸다. Figure 6 is a graph showing the results of measuring the pyrophotonic response before and after applying a pulse voltage to the Si substrate of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device under the condition of continuous irradiation of pulsed light ('Figure 6a', ' Figure 6b'), to explain the operating mechanism of the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device ('Figure 6c'), and the change in optical response according to the type of applied pulse voltage ('Figure 6d'). The measured results ('Figure 6e') are shown.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 소자는 펄스 광 조사(3.2 mWcm-2)에 따라 재생 가능한 Ipy 생성을 보여주었다. +0.8V의 펄스 전압이 인가된 후, 소자의 Ipy는 시스템 측정 한계 이하로 감소되었고, 반대 극성의 -8.0V의 펄스 전압(w=10 ms)이 인가된 후 소자의 Ipy는 초기 수준(42 nA, L=3.2 mWcm-2)으로 재설정되었다. As shown in Figures 6a and 6b, the device showed reproducible Ipy generation upon pulsed light irradiation (3.2 mWcm -2 ). After a pulse voltage of +0.8 V was applied, the Ipy of the device decreased below the system measurement limit, and after a pulse voltage of -8.0 V of opposite polarity (w=10 ms) was applied, the Ipy of the device decreased to the initial level (42 nA, L=3.2 mWcm -2 ) was reset.
Ipy 조정에 대한 보다 향상된 제어를 획득하기 위해, 소자에 +6.0V(중간 패널 참조) 및 +4.0V(우측 패널 참조)의 다른 크기의 전압 펄스(w=10 ms)가 인가되었을 때, Ipy의 크기가 펄스 전압의 크기에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 예를 들면, +6.0V 및 +4.0V에 의해 Ipy는 3.7 nA 및 7.96 nA로 각각 감소되었다. 이러한 Ipy의 동적이고 제어된 변화는 소자의 광감지 특성이 짧은 전기 펄스에 의해 조정될 수 있음을 나타낸다. 특히, 도 6b에 도시된 바와 같이, 짧은 전기 펄스(+6.0V, w=10ms)에 의해 Ipy는 42로부터 3.7 nA로 감소된 반면, 반대 극성의 전기 펄스(-6.0V, m=10 ms)에 의해 전류는 명목상(약 7.6 nA) 증가하였다. To obtain better control over Ipy tuning, when voltage pulses (w=10 ms) of different magnitudes of +6.0 V (see middle panel) and +4.0 V (see right panel) were applied to the device, the Ipy It was found that the size changes depending on the size of the pulse voltage. For example, Ipy was reduced to 3.7 nA and 7.96 nA by +6.0V and +4.0V, respectively. This dynamic and controlled change in Ipy indicates that the photosensing properties of the device can be tuned by short electrical pulses. In particular, as shown in Figure 6b, Ipy was reduced from 42 to 3.7 nA by a short electrical pulse (+6.0 V, w=10 ms), whereas an electrical pulse of opposite polarity (-6.0 V, m=10 ms) The current increased nominally (about 7.6 nA).
펄스 전압을 이용한 Ipy의 동적 조정을 이해하기 위해, ±3.0V 이내에의 이중 스위핑에 의해 소자의 I-V 곡선을 측정한 결과, I-V 곡선은 인가된 펄스 전압에 대해 비대칭이었고, 잘 정의된 히스테리시스 루프 오프닝을 보여주었다. 또한, -3.0으로부터 +3.0 V까지의 전류 비율은 2×104인 것으로 측정되었고, 이는 AgNWs/HfO2/SiO2/Si 소자 내에 쇼트키 유사 접합의 형성을 나타내었다. 따라서, 소자를 가로지르는 지배적인 전하 전송 매커니즘은 쇼트키 방출(Schottky emission)에 의해 설명될 수 있고, 수학적으로, 전하 전송을 지배하는 쇼트키 방출은 하기 수식 1과 같이 정의될 수 있다. To understand the dynamic regulation of Ipy using pulse voltage, the IV curve of the device was measured by double sweeping within ±3.0 V, and the results showed that the IV curve was asymmetric with respect to the applied pulse voltage and showed a well-defined hysteresis loop opening. showed it Additionally, the current ratio from -3.0 to +3.0 V was measured to be 2×10 4 , indicating the formation of a Schottky-like junction in the AgNWs/HfO 2 /SiO 2 /Si device. Therefore, the dominant charge transfer mechanism across the device can be described by Schottky emission, and mathematically, the Schottky emission that dominates charge transfer can be defined as Equation 1 below.
[수식 1][Formula 1]
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000002
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000002
상기 수식 1에서, A는 상수이고, T는 절대온도이고, Φb는 장벽 높이이고, kB는 볼츠만 상수이고, e는 전기적 전하이고, εr은 유효 유전 상수이며, ε0는 진공 유전율이다. In Equation 1 above, A is a constant, T is the absolute temperature, Φ b is the barrier height, k B is the Boltzmann constant, e is the electrical charge, ε r is the effective dielectric constant, and ε 0 is the vacuum permittivity. .
산소 공공의 마이그레이션은 HfO2 기반 소자의 I-V 곡선에서 히스테리시스 루프 오프닝을 야기할 수 있음이 이전에 보고된 바 있다. 실제로, 소자 내에서 일어난 산화환원 반응(
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000003
) 때문에, 산소 이온의 마이그레이션 및 축적이 유효 쇼트키 베리어를 조절할 것이다. ln(I) versus V1/2 곡선의 기울기(slope)는
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000004
과 같이 유효 베리어 두께(
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000005
)와 직접적으로 관련되기 때문에, 전방(0→+Ve V) 전압 스위핑 및 반대쪽(+Ve→OV) 전압 스위핑의 기울기를 선형 피팅에 의해 측정한 결과, 전방 및 반대 스캐닝에 대한 기울기는 5.84로부터 4.90으로 변화하였고, 이는 유효 베리어 두께의 조정을 나타낸다. 실험적 분석에 기초하여, 제안된 광감지 메커니즘이 도 6c에 개략적으로 설명되고 있고, 이는 인가된 전기장의 영향 하에서의 산소 이온의 양적인 마이그레이션을 제안한다.
It has been previously reported that migration of oxygen vacancies can cause hysteresis loop opening in the IV curve of HfO 2 -based devices. In fact, the redox reaction that occurred within the device (
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000003
), the migration and accumulation of oxygen ions will regulate the effective Schottky barrier. The slope of the ln(I) versus V1/2 curve is
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000004
Effective barrier thickness (
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000005
), the slopes of the forward (0→+Ve V) and opposite (+Ve→OV) voltage sweepings were measured by linear fitting, and the slopes for forward and reverse scanning ranged from 5.84 to 4.90. changed to , which indicates adjustment of the effective barrier thickness. Based on experimental analysis, the proposed photosensing mechanism is schematically illustrated in Figure 6c, which suggests quantitative migration of oxygen ions under the influence of an applied electric field.
단면 TEM에 의해 측정된 바와 같이, HfO2 박막은 풍부한 산소 결함 및 느슨하게 결합된 산소를 함유하므로, 소자의 상부 전극에 양의 전압이 안기되었을 때, 산소 이온들이 생성되어 이동하고, 이는 유효 베리어 두께(
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000006
)를 감소시킨다. 이러한 산소 이온의 마이그레이션은 소자의 유효 분극을 변화시키고, 이는 소자의 광감지 거동을 야기할 수 있다.
As measured by cross-section TEM, the HfO 2 thin film contains abundant oxygen defects and loosely bound oxygen, so when a positive voltage is applied to the top electrode of the device, oxygen ions are generated and migrate, which increases the effective barrier thickness. (
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000006
) decreases. This migration of oxygen ions changes the effective polarization of the device, which can cause the photosensing behavior of the device.
도 6d 및 도 6e에 도시된 바와 같이, +1.0으로부터 +8.0까지의 양의 극성 및 다른 크기를 갖는 양의 펄스 전압들(w=10 ms)의 순차적인 인가에 의한 Ipy의 변화를 측정하고, 이를 기초로
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000007
(A는 소자의 유효 면적(0.6 cm2)이고, P는 광의 조사 강도이다.)에 의해 정의되는 응답도(R)가 계산되었다.
As shown in FIGS. 6D and 6E, the change in Ipy is measured by sequential application of positive pulse voltages (w=10 ms) with positive polarity from +1.0 to +8.0 and different magnitudes. , based on this
Figure PCTKR2023007685-appb-img-000007
The responsivity (R) defined by (A is the effective area of the device (0.6 cm 2 ), and P is the irradiation intensity of light) was calculated.
응답도(R)는 펄스 전압의 크기가 +1.0으로부터 +8.0V로 증가함에 따라 68.78로부터 1.87 μWcm-2으로 점진적으로 감소하였으나(도 6e의 점선 화살표 참조), 도 6의 e에서 검정 점선 화살표로 표시되는 바와 같이, 응답도(R)은 인가된 펄스 전압의 크기의 감소의 경우에는 유사한 거동을 따르지 않았다. 유사하게, 응답도(R)는 음의 극성 펄스에 대해서는 증가하였고, 초기 레벨(R=68.87 μWcm-2)로 세팅된 R 값을 리셋하기 위해서는 음의 전압이 요구되었다. The responsivity (R) gradually decreased from 68.78 to 1.87 μWcm -2 as the magnitude of the pulse voltage increased from +1.0 to +8.0V (see the dotted arrow in Figure 6e), but as the black dotted arrow in Figure 6e, As can be seen, the responsivity (R) did not follow a similar behavior in the case of a decrease in the magnitude of the applied pulse voltage. Similarly, the responsivity (R) increased for negative polarity pulses, and a negative voltage was required to reset the R value set to the initial level (R=68.87 μWcm -2 ).
결론적으로, 응답도(R) versus 펄스 전압 곡선에서 루프 개방이 나타났고, 이는 본 발명의 소자가 양적인 메모리를 저장할 잠재력을 가지고 있음을 나타낸다. 즉, 본 발명의 소자에서, 전기적 펄스를 이용한 광응답 거동의 제어가능한 조작은 광학적으로 읽기 가능한 강유전성 메모리를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 훈련 가능한 인공 버전을 건설하는 기회를 제공할 수 있다.In conclusion, loop opening appeared in the responsivity (R) versus pulse voltage curve, indicating that the device of the present invention has the potential to store quantitative memory. That is, in the devices of the present invention, controllable manipulation of photoresponsive behavior using electrical pulses could not only provide optically readable ferroelectric memory, but also provide the opportunity to construct trainable artificial versions.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

Claims (13)

  1. 목적물을 감지하는 광센서에 있어서,In an optical sensor that detects a target,
    상기 목적물 방향으로 펄스 광을 조사하는 광원;a light source that irradiates pulsed light in the direction of the target;
    상기 목적물에 의해 반사된 펄스 광에 의해 야기되는 온도 변화에 의해 전류를 생성하는 강유전성 박막 및 상기 강유전성 박막의 표면에 배치된 제1 전극을 구비하는 센싱소자; 및a sensing element including a ferroelectric thin film that generates a current by a temperature change caused by pulsed light reflected by the target and a first electrode disposed on the surface of the ferroelectric thin film; and
    상기 제1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 강유전성 박막에 의해 생성된 전류를 측정하는 전류측정기;를 포함하는, 광센서.An optical sensor comprising: a current meter electrically connected to the first electrode and measuring a current generated by the ferroelectric thin film.
  2. 제1항에 있어서, According to paragraph 1,
    상기 강유전성 박막은 올소롬빅(Pca21) 상을 포함하는 다결정질 하프늄 산화물 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.An optical sensor, wherein the ferroelectric thin film includes a polycrystalline hafnium oxide thin film containing an orthorombic (Pca21) phase.
  3. 제2항에 있어서, According to paragraph 2,
    상기 강유전성 박막은 9 내지 15 %의 산소 결함 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는, 광센서.An optical sensor, wherein the ferroelectric thin film has an oxygen defect density of 9 to 15%.
  4. 제1항에 있어서, According to paragraph 1,
    상기 광원은 0.01 내지 100 ms의 펄스 폭을 갖고, 적외선 영역의 파장을 갖는 펄스 광을 조사하는 것을 특징으로 하는, 광센서.An optical sensor, wherein the light source has a pulse width of 0.01 to 100 ms and irradiates pulsed light with a wavelength in the infrared region.
  5. 제1항에 있어서, According to paragraph 1,
    상기 강유전성 박막은 기판 상에 배치되고, The ferroelectric thin film is disposed on a substrate,
    상기 제1 전극은 상기 강유전성 박막의 상부면에 접촉하도록 배치되고, 펄스 광이 투과할 수 있는 투명 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.The first electrode is disposed to contact the upper surface of the ferroelectric thin film and includes a transparent electrode through which pulsed light can pass.
  6. 제5항에 있어서, According to clause 5,
    상기 제1 전극은 전도성 금속 나노 와이어 전극, 메쉬 구조의 전도성 금속 전극, 전도성 탄소 소재 전극, 투명 전도성 산화물 전극 또는 투명 전도성 고분자 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.The first electrode is an optical sensor, characterized in that it includes a conductive metal nanowire electrode, a conductive metal electrode with a mesh structure, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, or a transparent conductive polymer electrode.
  7. 제5항에 있어서, According to clause 5,
    상기 기판과 상기 강유전성 박막 사이에 배치된 제2 전극; 및a second electrode disposed between the substrate and the ferroelectric thin film; and
    상기 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 강유전성 박막에 전기장을 인가하여 상기 강유전성 박막의 분극 상태를 조절하는 전기장 인가기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.The optical sensor is electrically connected to the second electrode and further comprises an electric field applicator that applies an electric field to the ferroelectric thin film to adjust the polarization state of the ferroelectric thin film.
  8. 펄스 광에 의해 야기되는 온도 변화에 의해 전류를 생성하는 파이로 전기 특성을 갖는 강유전성 박막, 상기 강유전성 박막의 제1면 상에 접촉하도록 배치된 제1 전극 및 상기 제1 면과 대향하는 상기 강유전성 박막의 제2 면 하부에 배치된 제2 전극을 구비하는 메모리 소자;A ferroelectric thin film having pyroelectric properties that generates an electric current by a temperature change caused by pulsed light, a first electrode disposed in contact with a first side of the ferroelectric thin film, and the ferroelectric thin film opposing the first side. a memory element including a second electrode disposed below the second surface of;
    상기 제2 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 강유전성 박막에 전기장을 인가하여 상기 강유전성 박막의 분극 상태를 조절하는 전기장 인가기;an electric field applicator electrically connected to the second electrode and adjusting the polarization state of the ferroelectric thin film by applying an electric field to the ferroelectric thin film;
    상기 강유전성 박막에 펄스 광을 조사하는 광원; 및 a light source that irradiates pulsed light to the ferroelectric thin film; and
    상기 제1 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 펄스 광에 의한 온도 변화에 의해 생성되고, 상기 강유전성 박막의 분극 상태에 그 크기가 변화하는 상기 강유전성 박막에 의한 광전류를 측정하는 전류검출기;를 포함하는, 메모리 장치.A current detector electrically connected to the first electrode, generated by a temperature change caused by the pulsed light, and measuring a photocurrent generated by the ferroelectric thin film whose size changes depending on the polarization state of the ferroelectric thin film. Including, memory device.
  9. 제8항에 있어서, According to clause 8,
    상기 전기장 인가기는 1 내지 100 ms의 폭을 갖는 하나 이상의 펄스 전압을 상기 제2 전극에 인가하여 상기 강유전성 박막의 분극 상태를 조절하는 것을 특징으로 하는, 메모리 장치.The electric field applicator controls the polarization state of the ferroelectric thin film by applying one or more pulse voltages with a width of 1 to 100 ms to the second electrode.
  10. 제8항에 있어서, According to clause 8,
    상기 하나 이상의 펄스 전압은 하나 이상의 양의 펄스 전압 및 하나 이상의 음의 펄스 전압을 포함하는 것을 특징으로 하는, 메모리 장치.wherein the one or more pulse voltages include one or more positive pulse voltages and one or more negative pulse voltages.
  11. 제8항에 있어서, According to clause 8,
    상기 강유전성 박막은 올소롬빅(Pca21) 상을 포함하는 다결정질 하프늄 산화물 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.An optical sensor, wherein the ferroelectric thin film includes a polycrystalline hafnium oxide thin film containing an orthorombic (Pca21) phase.
  12. 제11항에 있어서, According to clause 11,
    상기 강유전성 박막은 9 내지 15 %의 산소 결함 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는, 광센서.An optical sensor, wherein the ferroelectric thin film has an oxygen defect density of 9 to 15%.
  13. 제8항에 있어서, According to clause 8,
    상기 광원은 0.01 내지 100 ms의 펄스 폭을 갖고, 적외선 영역의 파장을 갖는 펄스 광을 조사하는 것을 특징으로 하는, 광센서.An optical sensor, wherein the light source has a pulse width of 0.01 to 100 ms and irradiates pulsed light with a wavelength in the infrared region.
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KUMAR MOHIT, SEO HYUNGTAK: "High‐Performing Self‐Powered Photosensing and Reconfigurable Pyro‐photoelectric Memory with Ferroelectric Hafnium Oxide", ADVANCED MATERIALS, VCH PUBLISHERS, DE, vol. 34, no. 5, 1 February 2022 (2022-02-01), DE , XP093115469, ISSN: 0935-9648, DOI: 10.1002/adma.202106881 *

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