1. 서 론

전력용 반도체 소자(power semiconductor element)의 개발에 의해 본격적으로 스위칭 전원이 상용화 되면서, 각종 전기․전자기기들은 이전까지는 볼 수 없었던 높은 전력 효율을 달성할 수 있게 되었다. 현재 주로 사용되고 있는 대다수의 전력용 반도체는 PN 접합(junction)을 기반으로 하는 화합물 반도체(compound semiconductor)이며 오랜 시간을 거치면서 기술적으로도 충분히 성숙한 상태이다. 반면에 종래의 PN 접합 기반 화합물 반도체와 달리 단일 물질로 구성된 산화물 반도체(oxide semiconductor)를 이용하여 새로운 특성을 가지는 전자 소자(electronic devices)들을 개발하기 위한 연구들 또한 이루어져 왔다^(1-3). 그 중에서도 대표적인 산화물 반도체인 바나듐 이산화물(vanadium dioxide: 이하 VO2)은 특정한 임계온도인 약 341K에서 금속과 절연체 사이의 가역적인 상전이(reversible phase transition)를 보이는 물질이다⁽⁴⁾. 상전이를 전후로 급격한 전기적/광학적 특성 변화를 보이는 VO2는 수십 년 전부터 주목을 받아왔고, VO2를 광학 또는 전기 스위치^(2-3), 발진기⁽⁵⁾, 적외선 감지기⁽⁶⁾ 등으로 응용하기 위한 다양한 연구들이 보고되었다. 이처럼 VO2의 상전이는 온도 이외에도 전기장⁽²⁾, 압력⁽⁷⁾, 빛⁽⁸⁾ 등과 같은 외부 자극을 통해 일으킬 수 있다. 그 중에서도, 박막 형태의 VO2 소자를 이용하여 박막에 흐르는 전류를 제어하려는 연구들이 지난 수년간 발표되었다. 예를 들자면, 2단자(2-terminal) 소자 형태로 가공된 VO2 박막에 전기장을 인가하면 전계유도(electric-field-induced) 상전이를 일으킬 수 있고, 전계유도 상전이가 발생하면 부성 미분 저항(negative differential resistance)에 의해 VO2 소자에 흐르는 전류가 급격히 증가하게 된다⁽⁹⁾. 그러므로, VO2의 상전이를 외부에서 적절하게 제어할 수 있다면 VO2 박막을 새로운 구조의 스위칭 소자를 만드는데 응용할 수 있다^(10-11).

최근에는 고출력 레이저를 사용하여 VO2 박막 기반 2단자 소자에 광열 유도(photothermally induced) 상전이를 야기하는 가역적인 전류 스위칭(reversible current switching)에 관한 연구들이 주로 발표되었다^(12-13). 여기서 가역적인 전류 스위칭이란 상온에서 절연체 상태인 VO2 소자에 레이저가 조사(illumination)되면 절연체 상태에서 금속 상태로의 상전이가 일어나 소자에 높은 전류가 흐르고, 레이저 조사가 중단되면 반대로 금속 상태에서 절연체 상태로의 상전이가 발생하여 소자에 흐르는 전류가 차단되는 동작을 의미한다. 최근 연구들에서는 광열 유도 상전이를 일으키기 위해서 수 와트(watt)의 집속된 레이저 빔을 VO2 소자에 조사하였고, 순식간에 VO2 박막을 상전이가 발생하는 임계온도 이상으로 가열할 수 있었다. 광열 유도 상전이 기반의 가역적인 전류 스위칭은 이전에 비해 더욱 향상된 통전 전류와 스위칭 대조비(switching contrast)를 구현할 수 있었다. 여기서 스위칭 대조비란 온-상태(on-state) 전류와 오프-상태(off-state) 전류 사이의 비율로 정의된다. 그러나 이러한 방식은 근본적으로 열을 제어해야하기 때문에, 소자의 열 특성에 의해 전반적인 성능이 결정된다. 특히 레이저가 소자를 가열하는 과정과는 달리 소자가 냉각되는 과정은 수동적인 냉각(passive cooling)에 의존한다. 따라서 상기 연구들에서는 VO2 소자를 넓은 기판(substrate) 상에 제작하거나, VO2 박막과 전극을 크게 만드는 등 주로 소자의 규격(dimension)을 대형화하여 빠른 방열을 유도했다. 이러한 시도들은 통전 전류 및 스위칭 대조비를 향상시켰지만, 스위칭에 소요되는 응답 시간(response time)은 큰 향상을 얻을 수 없었다.

반면, 2016년에는 기존의 VO2 박막과는 다른 열 특성을 가진 새로운 구조의 VO2 박막이 소개되었다⁽¹⁴⁾. 이 새로운 박막은 질화 알루미늄(aluminum nitride: 이하 AlN)을 버퍼층(buffer layer)으로 가지는 실리콘(silicon: 이하 Si) 기판 상에 VO2 박막을 증착하여 이종구조(heterostructure)로 제작되었고, 사파이어(Al2O3) 기판 상에 증착된 종래의 VO2 박막보다 약 9∼10K 높은 온도인 350K 근방에서 상전이가 일어나는 것으로 보고되었다. 아직까지 위와 같은 새로운 VO2 박막 기반 소자에서 레이저를 이용한 가역적인 전류 스위칭에 대한 연구는 보고되지 않았다. 본 논문에서는 전술한 이종구조를 가지는 VO2 박막을 기반으로 2단자 소자를 제작하여 기초적인 전기적 특성을 조사하였다. 그리고, 다양한 반복률(repetition rate)과 펄스폭(pulse width)으로 변조된 레이저 펄스를 소자에 조사하여, 가역적인 전류 스위칭의 응답 특성을 분석하였다.

2. 소자 제작 및 기초 특성 조사

새로운 구조의 2단자 소자를 제작하기 위하여 우선 AlN을 버퍼층으로 가지는 Si 기판 상에 VO2 박막을 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition: 이하 PLD) 기법을 통해 성장시켰다. PLD 기법은 다른 공정에 비해 상대적으로 공정 과정이 복잡하지만, 뛰어난 내구성을 가지는 고품질의 박막을 제조할 수 있다. 높은 결정성을 가지는 VO2 박막을 제조하기 위해, 기판의 온도를 이전 연구⁽¹³⁾보다는 약간 더 높은 700°C로 조절하였으며, 산소 분압은 25mTorr로 정밀하게 설정하였다. 박막 성장에 사용한 AlN/Si 기판에서 AlN 버퍼층의 두께는 200nm였으며, 성장된 VO2 박막의 평균 두께는 약 150nm로 측정되었다. 제작된 박막을 2단자 소자 형태로 가공하기 위해, 이온 빔 보조 밀링(ion beam-assisted milling)을 통해 박막을 식각함으로써 전류 채널(current channel)을 형성하였다. 이후, 금(Au) 및 티타늄(Ti)으로 구성된 전극(electrode)을 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 식각된 박막 위에 형성하였다.

Fig. 1. Resistance-temperature curve of the fabricated VO2/AlN heterostructure device. The inset shows the structure of the fabricated device

그림 1은 제작된 이종구조 박막 기반 2단자 소자의 저항-온도 곡선(resistance-temperature curve)을 측정한 결과를 나타내며, 내부 그림은 제작된 소자의 구조도를 보여주고 있다. 이 곡선에서 적색 삼각형 기호와 청색 사각형 기호는 각각 소자를 가열하면서, 그리고 가열된 소자를 냉각하면서 전기 저항을 측정한 결과를 가리킨다. 이 실험 결과로부터 알 수 있듯이 소자의 온도가 351K 부근일 때 급격한 저항의 감소, 즉 상전이가 발생함을 알 수 있다. 이는 사파이어 기판에 성장된 VO2 박막의 임계온도보다 약 10K 높은 것으로, 제작된 소자가 이전까지의 소자와는 다른 열 특성을 가진다는 것을 보여준다. 그리고, 제작된 2단자 소자의 전극 사이 간격과 전류 채널로 사용되는 VO2 박막의 폭은 서로 동일한 100μm로 설계되었다.

Fig. 2. Current-voltage characteristics of the fabricated VO2/AlN heterostructure device. The inset shows the current-voltage curve of the device over a wider voltage range

그림 2는 제작된 2단자 소자의 전류-전압 특성을 측정하여 로그 스케일(logarithmic scale)로 나타낸 모습이다. 소자의 전류-전압 특성의 측정에는 소스미터(sourcemeter, Keithley 2410)를 사용하였으며, 과전류에 의한 소자 손상을 방지하기 위하여 제한 전류(compliance current)는 50mA로 설정하였다. 여기서 흑색 삼각형 기호는 제작된 소자가 상온(room temperature)에 있을 때 측정한 결과이며, 적색 원형 기호는 소자를 370K까지 가열하고 충분한 시간 뒤에 측정한 결과를 나타낸다. 이 결과로부터, 제작된 소자는 일정 수준 이상의 바이어스(bias) 전압을 인가하여도 상온 상태에서는 전류가 거의 흐르지 않음을 알 수 있다. 그러나 소자의 온도가 임계온도 이상으로 충분히 올라갈 경우 낮은 바이어스 전압 하에서도 높은 전류가 흐른다. 이는 외부 온도 상승에 의해 VO2 박막 내에 존재하는 절연성 그레인(grain)이 금속성 그레인으로 바뀌기 때문인데, 그림 1의 측정 결과가 나타내듯이 이 과정에서 소자의 저항이 급격하게 감소하게 된다. 따라서 소자의 온도를 외부에서 적절히 제어할 수 있다면 소자에 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 그림 2의 내부 그림은 상온의 소자를 더 넓은 전압 범위에 대해 전류-전압 특성을 측정한 것으로, 바이어스 전압이 50V까지 인가되어도 소자에 흐르는 전류는 매우 미약하였다. 따라서 제작된 소자의 항복 전압(break-over voltage)은 적어도 50V보다 클 것으로 사료된다. 온도에 따른 소자의 전기적 특성 측정에는 소자를 가열하기 위해 평판형 전기가열기(hot plate)를 사용하였는데, 소자가 제작된 2인치 기판 전체를 임계온도 이상으로 가열하기 위해서 수 분의 시간이 소요되었다. 즉각적인 전류 스위칭을 위해서는 실제로 소자가 위치하고 있는 매우 좁은 영역의 온도만 빠르게 상승시킬 필요가 있는데, 이를 위하여 소자의 가열에 고출력 근적외선 레이저 다이오드(laser diode: 이하 LD)를 사용하는 실험 셋업을 구성하였다.

3. 스위칭 실험 구성 및 결과 논의

Fig. 3. Experimental setup for reversible current switching in the fabricated VO2/AlN heterostructure device using near-infrared laser pulses

그림 3은 앞서 제작된 이종구조 박막 기반 2단자 소자에 집속된 근적외선 레이저 펄스를 조사하여 가역적인 전류 스위칭을 구현하기 위한 실험의 구조도를 보여주고 있다. 근적외선 펄스 출력을 위해 사용된 LD(K976AABRN-27.00W)는 출력 중심파장이 976nm이며 LD 구동 드라이버(driver)에 의해 최대 1kHz까지 직접 변조(direct modulation)가 가능하다. 레이저 광은 LD에 부착된 다중모드 광섬유(multi-mode optical fiber)를 통해 출력된다. LD의 출력을 집속시켜 제작된 소자에 조사하기 위하여 광섬유 직진기(fiber collimator, Thorlabs F220APC-980)와 집속용 비구면 렌즈(Thorlabs A280TM-B)로 구성된 광섬유 집속기를 구성하였다. 광섬유 직진기에 내장된 직진화용 비구면 렌즈의 1/e2 빔 직경(diameter) 및 빔 발산각(full-angle beam divergence)은 입사되는 빛의 중심파장이 980nm일 때 각각 2.4mm 및 524μrad이었다. 그리고, 렌즈의 개구수(numerical aperture)와 유효 초점거리(effective focal length)는 입사광의 파장이 980nm일 때 각각 0.25 및 11.16mm 이었다. 광섬유 집속기의 출력단에 부착된 집속용 비구면 렌즈의 개구수, 유효 구경(clear aperture), 유효 초점거리는 입사광의 파장이 980nm일 때 각각 0.15, 5.50mm, 그리고 18.53mm 이었다. 고출력의 집속된 레이저 빔에 의해 소자가 손상되는 것을 방지하기 위하여, 제작된 VO2 소자에 조사되는 레이저의 최대 파워는 6.9W를 초과하지 않도록 구동 드라이버를 조절하였다. LD의 출력 파워 측정에는 광 파워미터(Thorlabs PM100D 및 S314C)를 사용하였으며, 광섬유 집속기로부터 나온 빛이 파워미터의 센서부에 직접 조사되도록 조절한 후 측정하였다. 다음으로, 집속된 빔이 VO2 소자의 박막부에 정확히 조사될 수 있도록 광학 현미경(optical microscope)과 3축 이동 스테이지(3-axis translation stage)를 사용하여 소자의 위치와 집속기의 위치를 세밀하게 조절하였다. 또한, 집속된 빔은 소자의 박막 표면을 완전히 덮으면서도 용이한 정렬이 가능하도록, 직경을 약 600μm로 조절하였다. 상기 조건에서 소자 표면에 조사되는 레이저의 광 세기(optical intensity)는 2440W/cm2로 계산되었다. 소자에 흐르는 전류의 과도 응답 측정에는 앞서 사용된 소스미터와, 제작된 VO2 소자, 그리고 일반적인 탄소피막저항(carbon film resistor)을 직렬로 연결한 간단한 전기회로를 사용하였다. 회로에 흐르는 전류는 저항기에 걸리는 전압을 오실로스코프(Tektronix TDS2022C)로 측정한 후 저항 값으로 나누어 도출하였다.

그림 4는 소자 표면에 조사되는 레이저의 광 세기가 2440W/cm2이면서 온-상태 펄스폭이 각각 75, 100ms일 때 제작된 소자에 흐르는 전류의 과도 응답을 보여준다. 두 경우에 대해 펄스 반복률은 1.0Hz로 고정되었다. 본 측정에는 그림 3에 나타낸 전기회로를 사용하였으며 바이어스 전압은 5.5V, 탄소피막저항의 저항 값은 10Ω으로 설정하였다. 회로에 인가하는 바이어스 전압은 그림 2에서 측정하였던 소자의 전류-전압 특성과 탄소피막저항의 저항 값을 고려하여 선정하였다. 그리고 모든 실험에서 제한 전류는 50mA로 설정되었다. 그림 4 (a)와 같이 레이저의 온-상태 펄스폭이 75ms인 경우 가역적인 전류 스위칭 동작이 관찰되었으나 간헐적으로 전류가 50mA에 도달하지 못하였다. 이는 소자에 조사되는 레이저 펄스의 에너지가 VO2 박막에 충분한 광열 유도 상전이를 일으키기에는 조금 부족했기 때문으로 사료된다. 반면에 그림 4 (b)와 같이 펄스폭이 100ms인 경우에는 최대 50mA의 안정적인 가역적 전류 스위칭 동작이 가능하였다. 이로부터 안정적인 전류 스위칭을 위한 최소 온-상태 펄스폭을 100ms로 선정하였다. 이 조건에서의 펄스 당 에너지(energy per pulse)는 앞서 계산한 광 세기, 펄스폭, 그리고 박막의 유효 면적(1×10-4cm2)을 고려하여 약 24.4mJ로 계산되었다.

Fig. 4. Transient responses of current flowing through the VO2/AlN device, when on-state pulse widths are (a) 75, and (b) 100ms with a repetition rate of 1.0Hz

Fig. 5. Transient responses of current flowing through the VO2/AlN device, with the laser modulated at repetition rates of (a) 0.1, (b) 0.5, and (c) 2.0Hz at an on-state pulse width of 100ms

그림 5는 소자에 조사되는 레이저 펄스의 온-상태 펄스폭이 100ms이고 반복률이 각각 0.1, 0.5, 그리고 2.0Hz일 때 소자에 흐르는 전류의 과도 응답을 나타낸다. 과도 응답을 측정하기 위한 회로와 기타 조건들은 이전 실험과 동일하였다. 그 결과 0.1Hz의 낮은 반복률에서부터 2.0Hz의 상대적으로 빠른 반복률까지 안정적으로 최대 50mA의 가역적인 전류 스위칭이 가능하였다. 이 실험에서 평균 오프-상태 전류는 약 5.19μA였으며 평균 스위칭 대조비는 9634로 계산되었다.

이전에 보고된 연구에서는 종래의 사파이어 기판에 성장된 대규모 VO2 소자를 사용하여 최대 60mA의 통전 전류를 구현하였다⁽¹³⁾. 반면 본 연구에서는 통전 전류가 50mA로 약 17% 더 낮지만 이전보다 25배 더 좁은 면적의 VO2 소자에서 비슷한 수준의 통전 전류와 스위칭 대조비, 그리고 가역적인 전류 스위칭을 구현할 수 있었다. 이는 새로운 열 특성을 가지는 VO2/AlN 이종구조 박막으로 인해 소자의 냉각이 더 빨라졌기 때문으로 사료된다. 상기 반복률 실험에서 전류의 평균 상승 시간은 약 36ms, 그리고 하강 시간은 10ms 이하로 측정되었다. 상승 시간은 이전 연구⁽¹³⁾와 큰 차이가 없으나 하강 시간에서는 큰 차이가 발생하였다. 하강 시간이 측정에 사용된 오실로스코프의 샘플링 간격인 10ms보다 짧아서 정확한 수치를 측정하지는 못하였지만, 이 결과는 레이저 조사가 중단된 후 소자가 10ms보다 빠르게 오프-상태에 도달했다는 것을 의미한다. 즉 종래의 VO2 박막과 달리 새로운 이종구조 박막은 임계온도가 10K 더 높기 때문에, 레이저가 조사가 중단된 경우 이전보다 더 빠르게 금속에서 절연체로의 상전이가 발생하는 임계온도에 도달할 수 있다. 이러한 특성은 소자의 방열에 유리하게 작용하였고, 광열 유도 상전이 기반의 가역적인 전류 스위칭 성능을 향상시킬 수 있었다.

4. 결 론

본 논문에서는 AlN을 버퍼층으로 가지는 Si 기판 상에 PLD 기법으로 성장된 이종구조 VO2 박막을 이용하여 2단자 소자를 만들고, 집속된 근적외선 레이저 펄스를 조사하여 가역적인 전류 스위칭을 구현하였다. 새로운 구조의 소자는 종래의 사파이어 기판에 성장된 VO2 소자보다 약 10K 더 높은 임계온도를 보였다. 변화된 임계온도로 인하여 이전보다 더 좁은 면적의 소자에서 최대 50mA의 가역적인 전류 스위칭이 다양한 펄스 반복률에서 가능하였고, 평균 스위칭 대조비는 9634로 계산되었다. 특히 스위칭 응답 시간 중에서도 전류의 하강 시간이 10ms 이하로 측정되어 큰 향상을 보였는데, 이는 제작된 이종구조 소자의 열 특성이 방열 과정에 유리하게 작용한 것으로 사료된다. 새로운 구조의 소자를 통해 스위칭 응답 시간을 더욱 향상시킨 본 연구 결과는, 앞으로 이루어질 산화물 반도체 기반 스위칭 소자의 연구에 새로운 방향을 제시해 줄 수 있을 것으로 기대된다.