1. 서 론

특정한 임계온도(critical temperature)에서 가역적인 상전이(phase transition) 현상을 보이는 물질인 바나듐 이산화물(vanadium dioxide: 이하 VO$_{2}$)은 수십 년 전부터 다양한 분야의 연구자들에게 주목받는 대표적인 산화물 반도체(oxide semiconductor)이다^[1]. VO$_{2}$는 상전이를 전후로 전기적 특성과 함께 적외선 대역의 광학적 특성도 크게 변화한다는 특징이 있다^{[2, 3]}. 이러한 VO$_{2}$의 상전이 현상은 온도^[1], 압력^[4], 전기장^[2], 빛^[5]과 같은 외부 자극을 적절히 제어함으로써 가역적으로 일으킬 수 있다. 상전이 전후로 발생하는 독특한 특성 변화에 착안하여, VO$_{2}$를 전기^[2] 또는 광학 스위치^[3], 메모리 소자^[6], 적외선 감지기^[7], 발진기(oscillator)^[8] 등으로 응용하기 위한 다양한 연구들이 보고되었다. 다양한 응용 사례 중에서도 본 논문에서는 VO$_{2}$를 빛으로 제어할 수 있는 전류 스위칭 소자(current switching device)로 이용하는 데에 초점을 맞추어보고자 한다. 전술한 바와 같이 VO$_{2}$는 상전이를 전후로 전기 저항이 급격하게 변화하는 비선형적인 특성을 가진다. 일반적으로 상온의 VO$_{2}$는 상전이가 일어나기 전에는 높은 전기 저항을 가지므로 절연체 상태이지만, 상전이가 발생하면 전기 저항이 급격히 감소하면서 금속성을 띠게 된다. 따라서, VO$_{2}$의 상전이를 적절히 제어할 수 있다면 특정한 바이어스(bias) 전압하에서 전류를 제어할 수 있는 스위칭 소자로 활용할 수 있다. 구체적인 예를 들자면, 박막(thin film) 형태의 VO$_{2}$ 양단에 전극(electrode)을 형성하여 2단자(two-terminal) 소자 형태로 가공한 뒤 전기장을 인가하면 VO$_{2}$ 박막에 전계 유도(electric-field-induced) 상전이를 일으킬 수 있다. 이때, VO$_{2}$ 박막에 흐르는 전류는 부성 미분 저항(negative differential resistance)에 의해 급격히 증가하게 된다^[9].

VO$_{2}$ 박막으로 전류 스위칭 소자를 구현한 초창기의 연구는 앞서 언급한 전계 유도 상전이를 기반 원리로 사용하였다^[10]. 이후, VO$_{2}$ 소자의 박막부에 수 mW급의 저출력 레이저를 조사(illumination)하여 전계 유도 상전이가 발생하는 문턱 전압(threshold voltage)을 조절한 광 보조(photo-assisted) 전류 스위칭이 제안되었다^[11]. 저출력의 광은 VO$_{2}$ 박막에 광 유도(photo-induced) 상전이를 일으키며, 이는 빛과의 상호작용이므로 매우 빠른 응답 시간(response time)을 보인다. 그러나, 낮은 광 세기(optical intensity)로는 VO$_{2}$ 박막에 구조적인(structural) 상전이를 일으킬 수 없으므로 상전이 전후의 저항 변화율이 낮다는 약점이 존재한다. 이는 스위칭 소자에 있어서 중요한 성능 지표인 온-상태(on-state) 전류와 스위칭 대조비(switching contrast)에 악영향을 초래한다. 여기서 스위칭 대조비란 온-상태 전류와 오프-상태(off-state) 전류 간의 비율을 의미한다.

반면, VO$_{2}$ 소자에 조사되는 광의 세기가 증가하면 광열 효과(photothermal effect)에 의한 광열 유도(photothermally-induced) 상전이가 발생하면서 VO$_{2}$의 특성 변화에 지배적인 영향을 끼치게 된다^[12]. 광열 유도 상전이는 빛을 매개로 하지만 근본적으로는 열(heat)과의 상호작용이므로 느린 응답 시간을 가진다. 그러나, VO$_{2}$ 소자를 임계온도 이상으로 가열하게 되므로 구조적인 상전이가 일어나면서 높은 저항 변화가 발생한다. 따라서 VO$_{2}$ 박막 기반 전류 스위칭 소자에서 광열 유도 상전이를 이용할 경우, 광 유도 상전이를 이용한 스위칭에 비해 매우 높은 온-상태 전류와 뛰어난 스위칭 대조비를 얻을 수 있다. 이러한 장점 덕분에 최근에 이루어진 다수의 연구는 고출력 레이저로 광열 유도 상전이를 일으켜 높은 스위칭 성능을 구현하였다^{[13, 14]}. 그러나, 다양한 시도에도 불구하고 광열 유도 상전이의 느린 응답 시간은 개선할 수 없었다.

본 연구에서는 VO$_{2}$ 소자에서 광열 유도 상전이를 이용하는 전류 스위칭 기법의 느린 응답 시간을 개선하기 위하여 특별한 구조의 VO$_{2}$ 소자를 제작하였다. 다음으로, 제작된 VO$_{2}$ 소자를 이용하여 높은 온-상태 전류를 유지하면서도 빠른 응답 시간을 보이는 전류 스위칭을 실험적으로 구현하였다. 그리고, 스위칭 응답 시간이 개선될 수 있었던 요인을 분석하였다. 결과적으로 높은 온-상태 전류를 유지하면서도 상용 전원의 주파수와 동일한 반복률을 보이는 광열 효과 기반의 전류 스위칭을 실현할 수 있었다.

2. 소자 준비 및 기초 특성 분석

소자 제작에 사용되는 VO$_{2}$ 박막은 여러 기판(substrate) 상에서 성장시킬 수 있는데, 가장 대표적이면서 널리 이용되는 것은 사파이어(Al$_{2}$O$_{3}$) 기판 상에 성장된 VO$_{2}$ 박막이다. 이를 이용한 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자는 약 68℃를 기준으로 상전이가 발생한다^[14]. Al$_{2}$O$_{3}$ 기판 이외에도 질화 알루미늄(aluminum nitride: 이하 AlN)을 버퍼층(buffer layer)으로 가지는 실리콘(silicon: 이하 Si) 기판을 이용하여 VO$_{2}$ 박막을 성장시키는 것도 가능하다. 이종구조(heterostructure)를 가지는 VO$_{2}$/AlN/Si 소자는 종래의 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자보다 더 높은 온도인 약 78℃에서 상전이가 발생한다^{[15, 16]}. 과거 연구 결과와 경험으로부터 VO$_{2}$/AlN/Si 소자의 높은 임계온도와 Si의 높은 열전도율(thermal conductivity)이 스위칭 응답 속도의 개선에 큰 영향을 끼칠 것으로 추측되었다^[17]. 따라서 본 연구에서는 널리 사용되는 일반적인 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자 대신 특수한 VO$_{2}$/AlN/Si 소자를 사용하였다.

이종구조 박막의 제작에는 AlN을 버퍼층으로 가지는 2인치 직경(diameter)의 Si 기판이 사용되었다. VO$_{2}$ 박막은 기판 상에 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition) 기법을 통해 성장시켰다. 고품질의 박막을 제조하기 위해 기판의 온도는 약 700℃로 설정하였으며, 산소 분압은 25mTorr로 제어하였다. 성장된 박막의 평균 두께는 약 150nm로 측정되었다. AlN/Si 기판 상에 넓게 증착된 VO$_{2}$ 박막을 2단자 소자 형태로 가공하기 위하여 이온 빔 밀링(ion beam milling)을 통해 박막을 식각하여 전류 채널(current channel)을 형성하였다. 그리고, 식각된 VO$_{2}$ 박막 양단에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 티타늄(Ti) 및 금(Au)으로 구성된 전극을 형성하였다.

Fig. 1은 성장된 이종구조 박막의 X선 회절 패턴(X-ray diffraction pattern)을 보여주고 있다. 40° 부근에 나타난 산(peak)은 단사정계(monoclinic) VO$_{2}$ 박막의 (020) 평면에 해당한다. 이 결과를 통하여 VO$_{2}$ 박막이 AlN/Si 기판에 잘 증착되었음을 확인할 수 있었다. Fig. 1의 내부 그림은 완성된 VO$_{2}$/AlN/Si 소자의 구조도를 보여주고 있다. 제작된 소자에서 VO$_{2}$ 박막의 폭과 길이는 100μm로 동일하게 설계되었다.

Fig. 2는 제작된 소자의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 보여준다. 본 측정에는 디지털 소스미터(sourcemeter, Keithley 2410)를 사용하였으며, 과전류에 의한 소자 손상을 방지하기 위하여 제한 전류(compliance current)를 50mA로 설정하였다. 여기서 흑색 원형 기호는 소자를 상온(room temperature)에 두고 측정한 결과이며, 황색 사각형 기호는 소자를 100℃까지 가열한 후 충분한 시간 동안 온도를 유지한 상태에서 측정한 결과를 가리킨다. Fig. 2의 내부 그림은 제작된 소자의 저항-온도 곡선(resistance-temperature curve)을 나타낸다. 이 곡선에서 적색 삼각형 기호와 청색 마름모 기호는 각각 소자를 가열 및 냉각하면서 측정한 결과이다. 이 결과로부터 제작된 소자는 78℃ 부근에서 상전이가 발생함을 알 수 있다. 서론에서 언급했던 것과 같이, 제작된 VO$_{2}$ 소자는 동일한 바이어스 전압하에 있더라도 흐르는 전류는 상전이 전후, 즉 온도 변화에 따라 극단적인 변화를 보인다. 그러므로 이 가역적인 변화를 외부에서 적절히 제어한다면 제작된 소자를 전류 스위칭 소자로 이용할 수 있음을 다시 한번 확인할 수 있다.

Fig. 1. X-ray diffraction pattern of VO$_{2}$ thin film deposited on AlN/Si substrate. The inset shows the structure of the fabricated heterostructure device

Fig. 2. Current-voltage characteristics of the fabricated VO$_{2}$/AlN/Si heterostructure device. The inset shows the resistance-temperature curve of the fabricated device

3. 실험 구성 및 결과 논의

Fig. 3는 중심파장이 976nm인 근적외선 레이저 다이오드(laser diode: 이하 LD)를 사용하여 제작된 VO$_{2}$/AlN/Si 소자에서 광열 효과에 의한 전류 스위칭을 구현하기 위한 실험 구성도를 보여주고 있다. LD에서 출력된 빛은 광섬유 직진기(fiber collimator, Thorlabs F220APC-980)와 추가적인 집속용 비구면 렌즈(Thorlabs A280TM-B)로 구성된 광섬유 집속기(fiber focuser)로 입사된다. 집속된 빔은 광열 효과를 일으킬 수 있도록 소자의 VO$_{2}$ 박막 표면에 직접 조사된다. 이때, LD의 출력이 너무 높으면 소자와 광학 요소들이 손상될 수 있으므로 적절한 파워를 선택할 필요가 있다. 본격적인 실험에 들어가기에 앞서 LD의 출력 파워를 조금씩 증가시키면서 광학 요소와 소자가 손상되지 않는 파워를 조사하였다. 그 결과, 광섬유 집속기로부터 출력되는 빔의 파워가 7.0W일 때 안정적이면서 원활한 스위칭이 가능한 것으로 확인되었다. 소자에 조사되는 빔의 파워 측정에는 광 파워미터(Thorlabs PM100D 및 S314C)를 이용하였다. 집속된 레이저 빔을 VO$_{2}$ 박막부에 정확하게 정렬하는 데에는 광섬유 집속기와 연결된 정밀 3축 이동 스테이지(3-axis translation stage)를 사용하였다. 그리고 집속된 빔이 VO$_{2}$ 박막 표면을 충분히 덮을 수 있도록 빔 직경을 약 350μm로 조절하였다. 집속된 빔을 완전한 원형으로 간주하면 빔의 넓이는 πr2 = π(350μm/2)2 = 0.000962cm2이다. 이로부터 소자 표면에서의 광 세기는 빔의 파워(7.0W)를 넓이(0.000962cm2)로 나누어 7276W/cm2로 계산된다. 소자에 흐르는 전류의 과도 응답 측정에는 바이어스 전압의 인가를 위한 소스미터와 제작된 VO$_{2}$/AlN/Si 소자, 그리고 일반적인 탄소피막저항(carbon film resistor)을 직렬로 연결한 폐회로를 사용하였다. 회로에 흐르는 전류는 저항기에 걸리는 전압을 오실로스코프(Tektronix MDO3024)로 측정한 후 저항값으로 나누어 도출하였다.

Fig. 4는 제작된 소자에 조사되는 근적외선 레이저 펄스의 반복률(repetition rate)이 1.0Hz로 동일하면서 온-상태 펄스폭(pulse width)이 각각 100 및 10ms일 때, 소자에 흐르는 전류의 과도 응답을 나타낸다. LD가 온-상태일 때 소자에 조사되는 빔의 세기는 7276W/cm2가 되도록 조절하였다. 본 측정에는 Fig. 3의 폐회로를 이용하였으며, 직렬로 연결된 외부 저항은 10Ω, 바이어스 전압은 5.0V였다. 인가된 바이어스 전압은 최대 50mA의 전류가 흐를 수 있도록 소자의 특성과 외부 저항을 고려하여 결정되었다. 측정 결과에서 볼 수 있듯이 상대적으로 긴 100ms의 펄스폭은 물론, 10ms라는 짧은 펄스폭 조건에서도 안정적인 전류 스위칭이 가능하였다. 종래의 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자를 사용한 연구에서도 100ms의 펄스폭을 사용했을 때는 안정적인 전류 스위칭이 가능하였다^{[13, 14]}. 반면에, 10ms라는 짧은 펄스폭에서 광열 유도 상전이 기반 전류 스위칭을 구현한 사례는 보고된 바가 없었다. 너무 짧은 펄스폭은 소자를 임계온도 이상으로 충분히 가열할 수 없으므로 안정적인 광열 유도 상전이를 일으키기 어렵기 때문이다. 그러나, 본 연구에서는 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자를 사용한 과거 연구^{[13, 14]}보다 더 작은 규모의 소자를 설계하여 사용하였다. 그리고 집속된 빔의 직경을 소자 규모에 맞게 감소시켜 7276W/cm2라는 높은 광 세기를 구현하였다. 이는 유사한 소자를 사용한 직전 연구^[16]보다도 약 3배가량 높은 광 세기이다. 높아진 광 세기 덕분에 짧은 펄스폭으로도 원활한 광열 유도 상전이를 일으킬 수 있었고, 결과적으로 안정적인 전류 스위칭이 구현될 수 있었다.

소규모의 소자와 높은 광 세기는 짧은 펄스폭에서도 광열 효과에 의한 안정적인 전류 스위칭을 가능하게 하였다. 특히, 짧은 펄스폭은 이제껏 볼 수 없었던 고반복률 전류 스위칭의 가능성을 보여준다. 만약 50%의 듀티 사이클(duty cycle)을 가정한다면 온-상태 펄스폭이 100ms일 때는 5Hz의 반복률만을 구현할 수 있지만, 10ms 펄스폭에서는 50Hz의 반복률을 구현할 수 있다. 그러나, 광열 효과 기반의 전류 스위칭에서 소규모의 소자와 높은 광 세기는 반드시 긍정적인 영향만을 가져오지 않을 수도 있다. 소자를 온-상태로 만들기 위해 레이저로 가열하는 과정과 달리, 온-상태의 소자가 스스로 식어 다시 오프-상태로 되돌아오는 과정은 순전히 대류(convection) 및 전도(conduction)와 같은 수동적인 냉각(passive cooling) 방식에만 의존한다. 이는 소자를 즉시 온-상태로 만들기는 쉽지만 빠르게 오프-상태로 되돌리기는 어렵다는 것을 의미한다. VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자를 사용한 과거 연구들은 이러한 제약을 회피하여 가역적인 전류 스위칭을 구현하기 위해 대규모 소자와 상대적으로 낮은 광 세기를 이용하였다. 특히, 높은 반복률은 소자에 조사되는 레이저의 평균 파워를 높이므로 소자가 스스로 식어 오프-상태로 돌아가는 것을 더욱 방해한다. 이러한 제약으로 인해 지금까지 VO$_{2}$ 박막 기반 소자에서 광열 유도 상전이를 이용한 전류 스위칭은 2 또는 3Hz 수준의 매우 낮은 반복률만 구현될 수 있었다^{[13, 14]}.

Fig. 5는 제작된 소자에 다양한 온-상태 펄스폭과 반복률을 가지는 레이저 펄스를 조사하였을 때, 소자에 흐르는 전류의 과도 응답을 보여준다. 각 실험에서 사용된 레이저의 펄스폭과 반복률은 그래프 내에 직접 표시하였다. 모든 측정에서 소자에 조사되는 빔의 세기는 7276W/cm2로 고정되었다. 그리고, 직전의 실험과 동일한 폐회로와 외부 저항(10Ω) 및 바이어스 전압(5.0V)이 적용되었다. 그 결과, 1.0Hz라는 낮은 반복률에서부터 60Hz의 높은 반복률까지 안정적으로 최대 50mA의 가역적인 전류 스위칭이 가능하였다. 특히, 60Hz의 반복률은 이제껏 볼 수 없었던 매우 높은 반복률에 해당한다. 과거 연구 중에서는 특수하게 제작된 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자를 사용하여 최대 8.0Hz의 반복률을 구현한 사례가 있었지만, 반대급부로 온-상태 전류가 크게 줄어들었다^[18]. 그러나, 본 연구에서는 새로 제작된 VO$_{2}$/AlN/Si 소자를 이용하여 온-상태 전류를 유지하면서도 상용 전원의 주파수와 동일한 60Hz 반복률의 스위칭 구현이 가능하다는 것을 증명하였다.

앞서 언급했던 내용과 달리 소규모의 소자와 높은 광 세기에서도 가역적인 고반복률 전류 스위칭이 원활히 이루어질 수 있었던 원인은 새롭게 제작된 VO$_{2}$/AlN/Si 소자에 있다. 구체적인 요인 중 하나는 VO$_{2}$ 박막의 높아진 임계온도이다. 스위칭 과정에서 레이저 조사가 중단되면 온-상태의 소자가 서서히 식기 시작하며, 온도가 임계온도 이하로 떨어지면 오프-상태로 돌아온다. 수동적인 냉각 과정에서 온도 변화는 시간에 대해 지수함수 형태로 이루어진다. 따라서 임계온도가 낮으면 낮을수록 소자가 오프-상태에 도달하는 시간은 길어진다. 반대로 임계온도가 높다면 조금만 식어도 소자가 금방 임계온도에 도달할 수 있으므로 더 빨리 오프-상태에 도달한다. 즉, 높아진 임계온도는 스위칭 응답 시간을 더 빠르게 하므로 스위칭 성능에 유리하게 작용한다. 또 다른 요인은 기판으로 사용된 물질인 Si의 높은 열전도율이다. Al$_{2}$O$_{3}$와 비교했을 때 Si의 열전도율은 약 4배 이상 더 높은 것으로 알려져 있다^{[19, 20]}. 집속된 레이저 빔에 의해 가열된 VO$_{2}$ 박막은 공기에 의한 대류와 전도, 그리고 기판에 의한 전도를 통해 수동적인 냉각이 이루어진다. 그러나, 공기의 열전도율은 매우 낮으며 자연대류의 냉각 효율도 매우 낮다. 따라서, 온-상태인 VO$_{2}$ 박막과 그 주변에 축적된 열은 대부분 기판을 통해 전도된다고 볼 수 있다. Si의 높은 열전도율은 레이저 조사가 중단되는 즉시 VO$_{2}$ 박막과 주변부의 온도가 임계온도 이하로 떨어질 수 있도록 도와준다. 덕분에 소규모 소자와 높은 광 세기에도 불구하고 60Hz 반복률의 전류 스위칭이 구현될 수 있었다. 마지막으로, Fig. 5에서 측정된 모든 결과에 대한 전류의 평균 상승 시간과 하강 시간은 각각 약 0.9 및 1.1ms로 측정되었다. 전류의 상승 시간은 전류가 최대치(50mA)의 10%에서 90%까지 증가할 때 소요되는 시간을 측정하였으며, 하강 시간은 전류가 최대치의 90%에서 10%까지 감소할 때의 시간을 측정하였다. VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자를 이용한 과거 연구들은 모두 응답 시간이 모두 수십 ms에 달했지만[13, 14, 18], 본 연구에서는 1ms 급의 매우 빠른 응답 시간을 달성할 수 있었다.

Fig. 3. Experimental setup for photothermally controlled current switching in the VO$_{2}$/AlN/Si heterostructure device using near-infrared laser diode

Fig. 4. Transient responses of device current, when on-state pulse widths are (a) 100, and (b) 10ms with a repetition rate of 1.0Hz

Fig. 5. Transient responses of device current, when the LD modulated under various conditions. The LD modulation conditions are directly indicated in each plot

4. 결 론

본 연구에서는 AlN/Si 기판에 성장시킨 이종구조 VO$_{2}$ 박막을 기반으로 하는 특별한 전자 소자를 제작하였고, 제작된 소자와 고출력 레이저를 사용하여 광열 효과로 제어되는 고반복률 전류 스위칭을 구현하였다. 종래의 VO$_{2}$/Al$_{2}$O$_{3}$ 소자에서 광열 효과를 이용한 전류 스위칭은 소자가 오프-상태로 돌아오기 위한 냉각 과정에 오랜 시간이 소요되어 고반복률의 스위칭이 불가능하였다. 반면에, VO$_{2}$/AlN/Si 소자는 높은 임계온도와 뛰어난 열전도율을 가지므로 고반복률 스위칭에 적합할 것이라는 사실을 추측하였다. 그리고, 최적화된 실험 구조와 새롭게 제작된 소자를 이용하여 50mA의 높은 온-상태 전류를 유지하면서도 최대 60Hz 반복률의 전류 스위칭을 구현하였다. 스위칭 응답 시간도 1ms 급으로 크게 향상되었다. 지금까지 볼 수 없었던 높은 성능을 달성한 본 연구 결과는 앞으로 산화물 반도체 기반 스위칭 소자의 상용화를 가속할 수 있을 것으로 기대된다.