이산화바나듐의 금속-절연체 전이 비휘발성 조절 및 응용 연구 개발 동향
Nonvolatile Control of Metal-Insulator Transition in VO2 and Its Applications
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Trans Abstract
With the advent of the 4th industrial revolution era, there has been a high demand for high-performance electronic devices capable of collecting, storing, and calculating vast amounts of data. Vanadium dioxide (VO2) is considered an attractive candidate for next-generation electronic devices as a prototypical strongly correlated material exhibiting a metal-insulator transition (MIT) accompanied by huge electrical resistivity changes in a few nanoseconds. The nonvolatile control of the MIT in VO2 has recently been the subject of intensive research. In this report, we review recent advancements in the field of nonvolatile control of MIT in VO2, using electrochemical redox reactions, inverse piezoelectric effect, and ferroelectric polarization, and their potential to develop high-performance next-generation electronic devices.
1. 서론
4 차 산업혁명 시대를 이끄는 핵심 기술인 사물인터넷(IoT)과 인공지능(AI)의 등장으로 방대한 양의 자료를 수집, 저장 및 연산할 수 있는 고성능 전자 소자에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다.[1,2] 소형화 및 고집적화 (Moore's scaling)을 통해 Si 기반 전자소자들은 고성능 전자 소자에 대한 수요를 충족하고 수십년간 시장을 지배해왔으나, 현재 공정 기술 및 Si 고유의 물성으로 인한 한계로 성능 향상에 어려움이 있다. 기존 Si 기반 전자 소자의 한계를 극복하기 위해서, 이차원 물질 (2-dimensional materials),[3] 산화물 반도체 (oxide semiconductor),[4] 강상관계 물질 (strongly correlated materials)[5] 등 다양한 물질을 이용한 저전력, 고성능 차세대 전자 소자 구현 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 강상관계 물질은 전자, 스핀, 오비탈 및 격자의 자유도에 따라서 전기적, 자기적 특성이 극적으로 다른 상들이 경쟁적으로 나타난다.[5,6] 외부 자극 (온도, 압력, 전압 등)에 의해 강상관계 물질 내 국부적인 자유도가 변하여 매우 짧은 시간 (fs~ns) 내에 전기적 특성이 서로 다른 상 전이가 발생하는 현상을 금속-절연체 전이 (Metal-Insulator Transition, MIT) 현상이라고 한다.[7] 이러한, MIT 현상에 대한 연구는 기초 과학 관점에서 매력적일 뿐만 아니라, 차세대 전자 소자로의 응용 가능성을 제공한다.
MIT 특성을 보이는 대표적인 강상관계 물질로 이산화바나듐(VO2)이 있다.[7,8] VO2는 67 ℃에서 단사정계(monoclinic)구조를 가지는 절연체상에서 정방정계(tetragonal, rutile)구조를 가지는 금속상으로 가역적인 1차 MIT가 일어난다(Fig. 1).[9] 전자간 상호작용(electron-electron interaction)에 의한 모트 전이 (Mott transition) 모델과 전자-포논 간 상호작용 (electron-phonon interaction)에 의한 파이얼스 전이(Peierls transition) 모델이 VO2의 MIT 현상의 메커니즘으로 제시되어 왔다.[10] 어떠한 것이 VO2 내 MIT 발생에 주요하게 작용하고 Mott-Hubbard와 Peierls 메커니즘 간의 상호작용에 대해서 아직 명확하게 규명되지 않고 있다. VO2는 MIT가 일어날 때 102~105 이상의 전도도 변화와 적외선 영역의 광투과도의 급격한 변화를 보인다. 또한, VO2의 MIT 전이 온도는 상온에 가깝고, 다양한 외부 변인들(온도, 압력, 전압, 빛, 가스 흡/탈착 등)에 의해서 발생될 수 있기 때문에, 이러한 VO2의 MIT 특성을 이용하여 Mott 트랜지스터,[11] 멤리스터,[12] 센서,[13] 광전소자,[14] 스마트 윈도우[15] 등 다양한 차세대 고성능 다기능성 소자들에 응용되어 왔다.
VO2 내 MIT를 이용한 고성능 전자 소자를 구현하기 위해서는 MIT 거동 조절 및 이해가 핵심이다. 현재까지 많은 연구자들이 다양한 합성법 개발, 조성 조절, 표면/계면 개질 등 다양한 접근법을 통해서 높은 절연체/금속상 저항비, MIT 문턱 자극 및 전이 온도 조절과 이력 거동 조절에 대해서 보고 되어왔다.[9,16,17] 최근, MIT 현상을 보이는 강상관계 물질들이 차세대 전자 소자로 각광 받고 있는 인공 뉴런 및 시냅스 소자의 매력적인 후보군으로 관심을 받고 있는 가운데, MIT 거동의 비휘발성 조절에 대한 필요성이 증가하고 있다. 본 논문에서는 VO2 내 MIT 거동의 비휘발성 조절에 대한 최신 연구 동향을 살펴보고자 한다.
2. 본론
2.1 전기화학적 방법으로 유도된 금속-절연체 전이 비휘발성 조절
강상관계 물질의 전하, 스핀, 오비탈, 격자 자유도는 표면 전하 축적(surface charge accumulation)을 통해 조절이 가능하며, 이를 통해 상전이를 발생시킬 수 있다고 알려져 있다.[18] 하지만, VO2의 경우, 기존의 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 구조를 사용하게 되면, 산화물 유전체의 한계로 VO2 내 전자간 상관성에 영향을 줄 수 있을 만큼의 표면 전하 밀도를 형성하기 힘들다.[18] MOSFET의 문제점을 극복하기 위해, 이온성 액체(ionic liquid)를 게이트 물질로 사용하는 전기이중층 트랜지스터(Electric-Double-Layer-Transistor, EDLT)에 VO2를 적용하는 방법이 제시되었다(Fig. 2. a).[19–21] 이온성 액체는 유기 이온들을 함유하고 있기 때문에, 전압을 인가할 경우이온성 액체 내 음이온, 양이온의 움직임으로 생성된 전기이중층이 형성된다. 상대적으로 작은 전압을 인가할지라도, 전기이중층으로 인해 표면 전하 밀도를 극대화할 수 있으며 이를 통해 VO2 내 전자간 상관성을 효과적으로 조절할 수 있다(Fig. 2. b). 게이트 전압에 따른 VO2 기반 EDLT의 저항의 온도의존성을 확인을 통해 EDLT 내 전기이중층으로 인한 표면 전하 밀도 극대화 효과를 확인할 수 있다. 낮은 게이트 전압(~0.2 V)을 인가할 경우, VO2 채널은 일반적인 MIT 거동을 보이나, 게이트 전압을 증가시키게 되면, VO2의 MIT 전이 온도가 감소하게 되고, 게이트 전압이 0.7 V 이상일 경우, VO2 채널이 금속성 기저 저항을 보이며 MIT 거동이 더 이상 보이지 않는다(Fig. 2. c).[22] 또한, 게이트 전압을 −3 V에서 3 V로 스캔 할 경우, 처음에는 VO2 채널이 절연체상의 저항을 유지하다가 1.5 V 이상에서 저항이 감소하기 시작하며 절연체-금속 상전이가 나타나고, 이어서 3 V에서 −3 V 로 반대로 스캔 할 경우 저항이 증가하면서 금속-절연체 상전이가 발생한다. 주기적인 게이트 전압 스캔 결과, VO2 채널 저항 값이 넓은 이력 거동을 보이지만 비휘발성 조절이 가능하며 가역적으로 회복되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2. d).[19] 일반적인 MOSFET의 경우, Thomas-Fermi screening으로 인해 전기장 효과가 표면으로 제한되어 VO2의 채널 전기저항 변화가 미미하다. 하지만, VO2 기반 EDLT에서 관찰된 게이트 전압에 의한 102 이상의 저항변화와 상전이 온도 변화는 표면뿐만 아니라 VO2 박막 전체에 걸쳐서 MIT가 일어난 것을 의미한다. VO2 기반 EDLT 내 비휘발성 MIT 조절을 처음 보고한 Tokura 그룹은 VO2 내에 있는 V-V 이량체화에 편재되어 있는 전자들(localized electrons)이 비편재화(delocalization) 되어 MIT 현상이 발생한다고 설명하였다.[20]
하지만, VO2 기반 EDLT에서 관찰된 비휘발성 저항변화의 원인이 VO2의 MIT에 의한 상전이가 아니라 VO2 내 결함 생성으로 인한 조성 변화라는 연구들이 보고되었다.[21,23–25] Parkin 그룹은 게이트 전압에 따른 VO2 기반 EDLT의 MIT 거동이 산소가 부족한 분위기에서 합성된 VO2의 MIT 거동과 비슷하다는 것을 확인하였다.[21] 이를 바탕으로, 게이트 인가 후의 VO2 기반 EDLT 의 채널을 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)와 동위원소를 이용한 2차 이온화법 (Secondary ion mass spectrometry, SIMS)으로 체계적인 분석을 진행한 결과 이온성 액체를 이용한 게이트 전압 인가 후 VO2 채널 내 산소 vacancy가 형성되는 것을 관찰하였다. 또한, 고체 전해질을 게이트로 이용한 VO2 기반 전자 소자에서도 가역적인 비휘발성 저항 변화에 대한 연구도 보고되었다.[23] XPS와 XANES 분석 결과에서 고체 전해질을 통해 게이트 전압이 길게 인가된 시편일수록 V와 관련된 픽들이 낮은 에너지로 움직이는 것이 확인되었다(Fig. 3. a-c). 이러한 결과는 전해질을 통한 게이트 전압 인가 후에 VO2 박막 내 결함 생성으로 V의 산화수가 낮은 산화수로 바뀌는 것을 의미한다. 전해질을 통한 게이트 전압 인가와 VO2 내 결함 형성에 대한 관계에 대한 이해를 위해서 Ramanathan 그룹에서는 이온성 액체와 VO2 채널 사이에 그래핀을 삽입하여 게이트 전압에 따른 VO2 채널의 저항 변화에 대한 연구를 보고하였다.[24] Figure 3. d-f에서 볼 수 있듯이, 이온성 액체/VO2 EDLT 소자에서는 채널 저항이 1.5 V와 2V 사이의 게이트 전압을 인가했을 때 VO2 채널의 저항이 감소하는 것이 확인되었고, 게이트 전압이 2.5 V 로 증가하였을 때 채널의 저항이 더 빠르게 변하였다. 하지만, 그래핀이 이온들에 대한 확산 방지층(diffusion barrier)으로 작용하기 때문에, 이온성 액체/그래핀/VO2 EDLT 소자에서는 인가된 게이트 전압의 크기와 상관없이 저항 변화를 보이지 않았다. 이러한 결과는 VO2의 전해질 게이팅은 표면 전하 축적이 아닌, 전기이중층 형성으로 전해질/VO2 계면에서의 전기화학적 반응에 의해 생성된 결함(산소 vacancy 혹은 양이온 interstitial 결함)으로 인한 조성변화와 연관된 상전이가 VO2 채널의 비휘발성 저항 변화의 원인임을 의미한다.
전해질을 게이트로 이용한 VO2 기반 전자 소자의 비휘발성 전기 저항 조절의 원인이 VO2 박막 내 결함과 관련된 것으로 알려지면서, 전해질/VO2 계면에서의 결함 생성 및 확산 등 결함 거동에 대한 이해에 대한 연구가 계속되었고, 이를 차세대 전자 소자에 응용한 사례가 보고되었다.[26, 27] 고체 양성자 전해질(solid state proton electrolyte)을 게이트로 사용한 VO2 기반 전자 소자의 경우, 게이트 전압 인가함에 따라 수소 이온이 VO2 채널로 주입되면서 2단계 절연체-금속-절연체 상전이가 관찰되었다. 이러한 접근법은 산소 vacancy가 VO2 채널에 생성되지 않으면서 많은 양의 수소 이온을 주입할 수 있었으며, 수소 이온 도핑으로 이한 전기화학적 상전이 덕분에 큰 전기저항 변화가 나타날 수 있었다.[26]
더 나아가서, VO2 채널 내 형성된 산소 vacancy 농도가 높으면 높을수록 수소 이온 주입 효율이 증가한다는 연구도 보고되었다(Fig. 4. a).[27] VO2 박막 내 산소 vacancy 농도에 따른 수소 주입 효율의 영향은 Time-of-flight secondary ionic mass spectroscopy (ToF-SIMS) 분석을 통해서 확인할 수 있다(Fig. 4. b,c). VO2-δ 박막의 경우 고체 양성자 전해질에 게이트 전압 인가 전후로 V/O의 비율의 변화 없이 H에 대한 분포가 박막의 방향대로 증가하여 VO2-δ 박막 내 수소 주입이 원활히 일어난 것을 확인할 수 있다. 하지만, VO2 박막의 경우 전해질/VO2 계면과 VO2/기판 계면에서 수소의 분포가 증가하였는데, 이는 수소가 VO2 내 박막에 잘 주입되지 않았다는 것을 의미한다. VO2 채널 내 형성된 산소 vacancy의 영향으로 수소 이온 주입을 통한 효과적인 전류 조절이 가능하기 때문에, 인공 신경 모사 트랜지스터에 적용될 수 있다(Fig. 4. d,e). 100 ms의 3 V 펄스를 인가하였을 때, 소자들이 전류 피크를 보인 후 감쇄하는 현상은 신경망의 단기 적응 효과(short-term plasticity, STP)와 유사한 거동이다. 또한, VO2 채널 내 형성된 산소 vacancy 농도가 높을수록 신경계의 장기간 가소성(long-term plasticity, LTP) 상응하는 전압 펄스에 대한 전류 변화 거동과 비휘발성 저항 변화가 관찰되었다. 이는 VO2-δ 박막을 이용한 소자는 LTP 구현에 적합하고, VO2 박막을 이용한 소자는 STP 구현에 적합하다는 것을 의미한다. 이러한 소자 특성을 바탕으로, 7×7 시냅스 트랜지스터 어레이에 ‘V’, ‘O’, ‘2’에 해당하는 전압 펄스를 각각 20회, 60회, 20회 인가하여 동적 학습 및 망각 과정을 시험해본 결과, STP에 적합한 VO2 박막 기반 소자 어레이에서는 입력된 정보가 4.5 초 안에 사라졌다. LTP에 적합한 VO2-δ 박막 기반 소자 어레이에서는 시간이 지남에도 장기간 학습되었던 ‘O’가 선명히 관찰되는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 이러한 결과는 VO2 내 산소 vacancy 농도를 제어를 통한 수소 이온의 확산과 유지 조절이 인공 신경 모사 소자의 LTP 구현 가능성을 보여주었다
2.2 스트레인 조절을 통한 금속-절연체 전이 비휘발성 조절
VO2 박막을 단결정 기판 위에 에피택셜 성장시킬 경우, 단결정 기판 물질과 VO2의 격자 상수 차이로 인한 strain과 stress를 계면에 유도하여 VO2 내 전자-격자 상호작용 (electron-lattice interaction) 및 MIT 거동 조절이 가능하다.[28,29] 이와 비슷한 접근법으로, VO2 박막을 압전 물질에 성장시켜, 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)를 이용하여 VO2 내 MIT 거동 제어와 비휘발성 저항 스위칭이 가능하다. Sun 그룹은 (011) 방향 0.71Pb(Mg1/3 Nb2/3)O3−0.29PbTiO3 (PMN-PT) 기판 위에 성장시킨 VO x 박막의 MIT 거동 제어에 대한 연구를 보고하였다.[30] VO x/PMN-PT 소자에 symmetric bipolar electric field를 스윕한 경우, PMN-PT의 전형적인 전기장에 대한 strain 변화 거동과 비슷한 나비 모양의 곡선(butterfly shaped curve)의 저항 변화가 관찰되었다(Fig. 6. a). 이러한 결과는 VO x 박막의 저항 변화의 원인이 PMN-PT의 강유전성 도메인 스위칭이 아닌 압전 효과로 인한 VO x/PMN-PT 내 strain 변화임을 의미한다. Asymmetric bipolar electric field 스윕을 할 경우, strain 변화에 의한 VO x 박막의 저항의 넓은 이력 거동과 비휘발성 조절 가능함을 확인되었다. 또한, 음의 전압으로 분극된 VO x/ PMN-PT 소자의 경우 양의 전압으로 분극된 VO x/ PMN-PT 소자보다 6 K 낮은 온도에서 MIT 현상이 나타났는데(Fig. 6. b), 이를 통해 인가 전압 극성에 따른 PMN-PT의 strain 상태에 따라서 VO x 박막의 MIT 거동이 조절 가능하다는 것을 알 수 있다.
Wu 그룹은 체계적인 합성 및 분석을 통해서 VO2 박막을 (111) 방향 PMN-PT 단결정 기판 위에 에피택셜 성장하는데 성공하였다.[31] 실시간 X선 회절 (in situ X-ray diffraction) 분석 결과(Fig. 6. c), 음의 전기장(−6~0 kV/cm)이 인가되었을 때, VO2와 PMN-PT 모두 구조적 변화가 없음이 확인되었다. 하지만, 양의 전기장(0~2 kV/cm)이 인가되었을 때, PMN-PT (111) 픽이 두 개의 픽으로 나뉘며, VO2 (020) 픽이 더 높은 각도로 움직였다. 이러한 결과는 PMN-PT가 양의 전기장 아래에서 준안정 상태로 변하고, VO2 박막의 수직한 방향으로 compressive strain이 유도되는 것을 의미한다. 또한, PMN-PT가 낮은 strain 상태에서 높은 strain 상태로 변화하기 때문에 in-plane strain이 coercive field에서 최대가 되며, 전기장 제거 후에도 PMN-PT 의 strain 상태가 유지되어 VO2 박막에 strain을 유도하는 것을 알 수 있다(Fig. 6. d,e). VO2/PMN-PT 소자 내 유도된 strain의 VO2 전기 저항에 미치는 영향을 확인 하기 위해 다양한 온도(200 ~ 340 K)에서 전기장 스윕에 따른 VO2/PMN-PT 소자의 저항 변화를 측정하였다(Fig. 7. a-d). VO2/PMN-PT 소자는 모든 온도에서 안정적으로 역압전 효과로 인한 나비 모양의 저항 변화를 나타냈다. 온도가 증가함에 따라서 저항 변화의 크기는 작아지고, 최대 저항 변화를 위한 전기장 값이 작아졌는데, 이는 PMN-PT의 coercive field가 온도가 증가하면서 감소하기 때문이다. Figure 7. e는 상온에서 다양한 범위의 전기장 스윕 아래 측정된 VO2/PMN-PT 전자 소자의 전기 저항 변화 측정 결과이다. 각 전기장의 스위핑 범위는 각기 다르지만 전기장을 제거한 후에도 저항이 안정적으로 유지함을 확인할 수 있으며, 이론적으로 적절한 전기장을 적용하면 준안정 상태를 유지할 수 있으며 무한한 단계의 저항 상태를 만들 수 있다. 이를 바탕으로, 적절한 크기의 전기장 펄스 인가 및 구동 조건 탐색을 통해서 VO2/PMN-PT의 4단계 저항 레벨 스위칭을 증명하였고, 4진법 반도체 기술 구현 가능성을 보여주었다.
2.3 강유전성 분극 유도를 통한 금속-절연체 전이 비휘발성 조절
VO2의 MIT 현상의 원인은 전자의 상관성 (electron correlation)과 관련 있기 때문에, 강유전체의 분극을 이용하여 VO2 내 전자간 상호작용을 제어하여 MIT 거동을 비휘발성 조절할 수 있다. Zheng 그룹은 Pb(Zr0.52 Ti0.48)O3 (PZT) 박막과 VO2 나노와이어(nanowire, NW)를 이종접합하여 강유전체 전계효과 트랜지스터(ferroelectric field-effect transistor, FeFET)형태로 제작하여, PZT 강유전성 분극 조절을 통해 VO2 NW의 전기 저항 및 MIT 거동 비휘발성 조절하였다(Fig. 8. a).[32] PZT 박막에 양(음)의 게이트 전압이 인가되면, PZT 박막 내 분극이 위(아래)쪽으로 정렬되고, VO2 NW/PZT 계면에 분극에 의한 전기장이 형성된다. 결과적으로 VO2 NW는 전자가 축적(공핍)되어 더 높은(낮은) 전도성을 가지게 된다(Fig. 8. b). PZT 박막의 잔류 분극 상태에서 VO2 NW 채널의 저항 변화 측정 결과는 Figure 8. c에 정리되어 있다. 0 V에서 23 V 인가 후 잔류 분극에 의한 VO2 NW 채널 저항 변화는 실온에서 최대 50%까지 변하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 5~20 V 크기의 전압 펄스를 사용하여 시간에 따라 전류를 측정한 결과(Fig. 8. d), 전압 펄스 인가 시 VO2 NW/ PZT 소자의 전류가 느리게 증가하고 감소하는 현상이 관찰됐다. 이는 PZT 분극 전하 혹은 스크리닝 전하와 연관되었다고 추측된다. 전압 펄스 제거 후 PZT의 잔류 분극에 의해 VO2 NW 채널의 저항이 초기 상태로 회복되지 않았고, 펄스 크기에 따라 서로 다른 다중 저항 상태가 관찰됐다. 이러한 결과는 PZT의 강유전성 분극에 의해 VO2 저항의 비휘발성 조절 가능성을 보여준다.
일반적으로, VO2 박막과 강유전체 박막의 성장 조건은 외부 환경에 매우 민감하게 영향을 받기 때문에, 고품질 강유전체/VO2 이종접합 합성을 위해서는 성장 조건 및 후처리 공정에 대한 이해가 필수적이다. Toriumi 그룹은 합성 조건 최적화를 통해 VO2/Ge:HfO2 이종 접합 내 Ge:HfO2의 강유전특성을 향상시키고, 이를 FeFET 형태로 제작하여 VO2의 MIT 거동을 비휘발성 조절한 연구를 보고하였다.[33] Ge:HfO2 박막을 증착 후 결정화 한 후 VO2 증착하기 전 baking 공정을 진행할 경우 Ge:HfO2 박막 내 monoclinic 상의 형성으로 HfO2 박막의 강유전 특성이 열화 되는 현상이 나타났다(Fig. 9. a-c). Ge:HfO2 내 박막 monoclinic 상의 형성을 방지하기 위해, Toriumi 그룹은 baking 공정을 Ge:HfO2 박막이 비정질인 상태에서 진행하고, 이후 VO2 박막 고온 증착 조건에서 Ge:HfO2 박막을 동시에 결정화 시키는 합성 조건을 제시하였다(Fig. 9. d). 공정 조건을 이용할 경우 VO2/Ge:HfO2 이종 접합 내 Ge:HfO2 박막은 강유전 특성을 열화 시키는 monoclinic 상의 존재 없이 tetragonal, orthorhombic, cubic 혼합상을 가지는 것으로 확인 됐고, 22 μC/cm2 의 뛰어난 강유전 특성을 보였다(Fig. 9. e,f).
Ge: HfO2의 잔류 분극과 VO2의 전도도의 상관관계는 합성 조건 최적화를 통해 제작된 VO2/Ge:HfO2 FeFET 의 게이트 전압 펄스 인가 후 전도도 측정을 통해서 알 수 있다(Fig. 9. g). VO2/Ge:HfO2 FeFET을 VO2의 상전이 온도 근처인 338 K에서 측정한 결과, 전압 펄스의 크기가 5 V 이상일 때, 전도도가 증가하기 시작하고, −5 V 이하일 때, 전도도가 감소하는 것이 확인 되었다. 또한, VO2/Ge:HfO2 FeFET의 전도도 변화에 필요한 전압의 크기는 VO2/Ge:HfO2 이종 접합 내 강유전 분극을 스위칭하기 위한 전압의 크기와 비슷하다는 것을 알 수 있다. 이는 VO2의 전도도가 HfO2 박막의 강유전 분극에 의해 제어되는 것을 의미한다. 또한, 상온에서는 VO2/ Ge:HfO2 FeFET의 전도도 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 VO2/Ge:HfO2 FeFET의 비활성 전도도 변화가 Ge:HfO2의 잔류 분극에 의해 유도된 VO2의 MIT 거동 제어와 연관되어 있음을 보여준다. Toriumi그룹은 VO2/Ge:HfO2 FeFET의 전도도 증가(감소)의 원인으로 양(음)전압 펄스 인가 시 Ge:HfO2의 강유전성 분극으로 인한 VO2 채널의 전자(정동) 도핑 효과를 제시하였다.
VO2 박막을 강유전체 위에 에피택셜 성장시킬 경우, 강유전체 분극의 VO2 내 전자간 상호작용에 대한 영향을 극대화할 수 있다. 최근 연구에서는 펄스 레이저 증착 (Pulsed Laser Deposition, PLD) 방법을 이용하여 고품질의VO2/BiFeO3(BFO)/SrRuO3(SRO)/ SrTiO3(STO) 에피택셜 이종접합 내 비휘발성 MIT 거동 제어와 저항변화를 보고하였다.[34] PLD로 합성된 VO2/ BFO/SRO/STO 에피택셜 이종접합은 각 계면에서 결함이 존재하지 않고, 원자가 인접한 원자와 규칙적으로 배역 되어있다. 전압에 따른 잔류 분극 측정 결과 VO2/ BFO/SRO/STO 이종접합은 이전에 보고된 VO2/강유전체 이종접합과 비교해서 매우 높은 80 μC/cm2의 높은 잔류 분극 값을 보였다(Fig. 10. .a).
VO2/BFO/SRO/STO를 소자로 제작하여, 게이트 전압 펄스 인가 후 소자내 VO2 채널의 MIT 거동을 측정한 결과, 게이트 전압 펄스가 증가할수록 MIT 전이 온도가 낮아지고, 게이트 전압 펄스가 8 V일 경우, VO2 채널이 상온에서도 금속상을 보이는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 10 b,c). 특히, 인가된 게이트 전압 펄스의 크기가 6 V 이상일 경우, VO2 채널의 금속상 저항이 게이트 전압 펄스의 크기가 6 V 이하일 경우보다 현저히 낮아지는 걸 확인할 수 있는데, 이러한 결과는 BFO 내 강유전성 분극이 VO2 채널 내 전자의 비편재화(electron delocalization)를 촉진시킬 뿐만 아니라, 전하 밀도를 증가시킨 것을 의미한다. 또한, 음전압의 게이트 펄스 인가 후 VO2/BFO/SRO/STO 소자의 MIT 거동이 가역적으로 전환되는 것도 확인 되었다. 게이트 펄스 스윕 후 전도도를 다양한 온도에서 측정한 결과, VO2/BFO/ SRO/STO 소자는 넓은 히스테리시스 특성과 가역적이인 비휘발성 전도도 변화를 보였다(Fig. 10. d). 주목 할 만한 점은, VO2/BFO/SRO/STO 소자의 높은 on/off ratio(≈102), 내구성(103 cycles)과 유지 성능(104 초)을 보였는데, 이는 이전에 보고된 비휘발성 MIT 거동을 보이는 VO2기반 전자소자 중 가장 높은 값이다. 또한, 게이트 전압 펄스 크기 조절을 통해서 VO2/BFO/SRO/ STO 소자는 내 BFO의 강유전성 분극의 크기 조절을 통해서 9단계 이상의 비휘발성 다중 저항 레벨 스위칭 구현이 가능하였다(Fig. 10. e).
3. 결론
본 원고에서는 대표적인 강상관계 물질인 VO2 내 MIT 현상의 비휘발성 제어 방법과 전자 소자로의 응용에 관한 최근 연구 동향에 대해서 살펴보았다. VO2 내 MIT 거동 조절을 위해 전기화학 반응을 통한 조성 변화, 전자-격자 상호작용 조절, 전자-전자 상호작용 조절 등 다양한 접근법이 제시되었지만, 공통적으로 VO2 기반 이종 접합 내 계면에서의 물리적, 화학적 현상 및 성질에 대한 이해가 필수적임을 알 수 있다. 강상관계 물질 내 전자, 스핀 및 격자 자유도의 다차원 환경에서 복잡한 상호작용에 대한 이해하고 궁극적으로 제어할 수 있게 된다면, 기초 과학적으로 큰 의미를 가질 수 있을 뿐만 아니라, 차세대 고성능 전자 소자 개발 및 구현에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
References
Biography
◉◉김 현 규
◉ 2017년-2023년 전남대학교 신소재공학부 학사
◉ 2023년-현재 전남대학교 신소재공학부 석사과정
◉◉홍 구 택
◉ 2008년-2013년 서울대학교 재료공학부 학사
◉ 2013년-2018년 서울대학교 재료공학부 박사
◉ 2018년-2019년 서울대학교 신소재공동연구소 연수연구원
◉ 2019년-2022년 LawrenceBerkeley National Laboratory (LBNL) 박사 후 연구원
◉ 2022년-현재 전남대학교 신소재공학부 조교수