1. 서 론

바나듐 이산화물 (vanadium dioxide: 이하 VO₂) 은 온도, 압력, 빛, 전기장 등의 외부 자극에 의해 절연 상태와 금속 상태 간 가역 상전이 (reversible phase transition) 특성을 갖는 대표적인 강상관계 물질이다^[1-5]. 선행 연구에서는 VO₂ 박막 기반 소자에 적외선 레이저를 조사하여, 레이저 파워에 따라 소자의 저항 스위칭 특성을 효과적으로 조절할 수 있음을 확인하였다^[6-8]. 이와 같이 적외선 레이저의 파워에 따라 박막 소자의 저항 스위칭이 제어되는 결과에 근거하여 VO₂ 박막에 조사되는 적외선 레이저 (파장: ~1550nm) 의 빛 파워를 조절함으로써 2단자 VO₂ 박막 소자에서 쌍안정 스위칭 (bistable switching) 을 구현하였다^[9]. 본 연구에서는 기존의 열적 또는 단일 전기 구동 스위칭과 달리, 광 자극과 전기적 바이어스의 상호작용에 의해 발생하는 복합 유도 스위칭 현상을 정량적으로 분석하였다. 이를 구현하기 위해 본 논문에서는 VO₂ 소자의 쌍안정 스위칭 특성을 조사하기 위해, 직류 전압원, 일반 저항, 그리고 VO₂ 소자를 직렬로 연결한 폐회로를 구성하였다. 이 회로에 대해 다양한 직류 전압(6 ~ 9 V)을 인가하고, 동시에 VO₂ 박막에 조사되는 광 파워(P_L)를 변화시키며 소자 양단 전압(V_D)의 변화를 측정하였다. 즉, VO₂ 박막에 조사되는 광 파워를 변화시키면서 다양한 직류 전압원의 전압의 값에 따라 쌍안정 스위칭 (이력현상) 의 여부를 관찰하였다. 정동작 응답에서의 이력현상은 과도 응답에서 쌍안정 스위칭을 발생시키기 위한 필요조건인데, 높은 빛 파워의 “SET” 펄스와 낮은 광 파워의 “RESET” 펄스를 이용하여 각각 (절연 상태에서 금속 상태로의) 순방향 상전이와 (금속 상태에서 절연 상태로의) 역방향 상전이를 유도시킴으로써, 적절한 탐침 (PROBE) 신호에서 VO₂의 광 유도 쌍안정 스위칭을 구현할 수 있었다. 특히, 과도 응답에서는 정동작 응답에서의 이력현상이 발생하는 직류 전압원의 값의 영역보다 광 유도 쌍안정 스위칭이 발생하는 직류 전압원의 값의 영역이 보다 제한적임을 관찰하였다.

2. VO₂ 박막 기반의 2단자 소자 제작 및 소자의 전류-전압 특성

Fig. 1은 VO₂ 박막을 기반으로 제작된 2단자 소자의 개략도이다. 2단자 소자를 제작하기 위하여 성장된 VO₂ 박막은 c-축으로 성장된 사파이어 (Al₂O₃) 기판위에 졸겔 (sol-gel) 방법을 이용하여 제작된 것이다^[10,11]. 제작된 소자에 전류가 흐르는 채널의 길이와 폭의 크기는 각각 10μm이다. 기판위에 성장된 박막의 두께는 약 ~100nm이다. VO₂박막의 두께는 스위칭 임계전압 및 광 응답에 직접적인 영향을 미치며, 일반적으로 두께가 증가할수록 상전이 온도가 높아지는 것으로 보고된다^[12]. 본 연구에서는 이 범위에서 안정적 스위칭이 확인되는 100nm 두께를 기준으로 설정하였다. 쌍안정 스위칭 실험을 지원해주는 저항 스위칭의 정보를 얻기 위해 빛의 파워에 따라 2단자 VO₂ 소자의 문턱전압 (V_T), 즉 급격한 전기적 점프가 발생하는 전압의 변화를 측정하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of fabricated the two-terminal device based on VO₂ thin films

Fig. 2는 다양한 빛의 파워에 따라 2단자 VO₂ 소자의 전류-전압을 특성을 측정한 그래프들을 나타낸 것이다. 소자의 전류-전압 특성은 매개 변수 분석기 (parameter analyzer) 에 의해 측정되었다. 이 실험을 위한 광학적 실험 셋업은 다음 논문에서 찾아볼 수 있다. 빛 파워가 증가될수록 전류-전압 특성에서 문턱 전압은 감소되어 0 V 로 이동하는 것을 볼 수 있는데, 이는 박막에 빛이 조사될수록 낮은 에너지에서 전기적 전류 점프가 일어날수 있도록 유도시키기 때문이다. 빛의 파워가 80mW 이상에서는 전기적 전류 점프가 사라진것을 볼 수 있는데 이는 높은 빛의 파워에 의한 광 유도 초과열이 발생하였기 때문이라 여겨진다.

Fig. 2. I-V characteristics of fabricated device measured at various values of P_L

3. 바이어스 전압효과에 따른 광 유도 정동작 응답과 과도 응답

바이어스 전압효과에 따른 광 유도 쌍안정 스위칭을 조사하기 위하여 직류 전압원과 일반 저항, 그리고 VO₂ 소자를 직렬로 연결한 폐회로를 Fig. 3(a)와 같이 구성하였다. VO₂ 소자는 4kΩ의 저항 및 직류 전압원과 직렬로 연결되어 있으며, 쌍안정 스위칭 특성을 유도하기 위한 적외선 레이저는 소자 내의 VO₂ 박막에 집광되어 조사된다. Fig. 3(b), 3(c), 3(d), 3(e)와 3(f)는 각각 바이어스 전압이 6 V, 7 V, 8 V, 9 V, 10 V로 인가된 상태에서 적외선 빛의 파워에 따른 VO₂ 소자 양단에 걸린 전압 (V_D) 의 정동작 응답을 나타낸 그림들이다. 측정 동안에는 빛의 파워를 ~102mW 까지 증가시키고, ~0.3μW 까지 다시 감소시켰다. Fig. 3(b)에서 관찰되었듯이 인가된 바이어스 전압이 6 V에서는 미세한 이력현상이 측정되었다. 이 경우에는 순방향 상전이가 ~80mW 이상의 빛의 파워에서 발생된 반면에 역방향 상전이는 ~80mW 가 아닌 상대적으로 작은 ~30mW에서 발생되었다. 특히 본 논문에서는 나타나지 않았지만 6 V 이하의 바이어스 전압에서는 이력현상이 완전하게 사라진 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3(c)에 관찰되었듯이 바이어스 전압을 7 V 로 인가한 경우에는 ~50mW 이상의 빛의 파워에서 순방향 상전이가 일어나게 되었고 역방향 상전이는 Fig. 3(b)와 마찬가지로 순방향 상전이가 일어난 빛의 파워보다 상대적으로 작은 ~3mW에서 발생되었다. 이 두 경우에는 빛의 파워에 의한 뚜렷한 이력현상이 관측되지는 않았다. 인가된 바이어스 전압이 8 V 와 9 V 일 때에는 Fig. 2(d)와 2(e)에서 알 수 있듯이 순방향 상전이는 ~35mW에서 발생되었지만 역방향 상전이가 일어나는 빛의 파워는 바이어스 전압이 9 V로 인가되었을 경우보다 8 V로 인가되었을 경우 좀더 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 인가된 바이어스 전압이 증가될수록 이력현상의 폭이 넓어짐을 알 수 있다. Fig. 2(f)는 바이어스 전압을 10 V로 인가하였을 때의 정동작 응답을 나타내고 있는데, 역방향 상전이 나타나지 않음을 알 수 있다. 이는 낮은 빛의 파워를 조사해줘도 VO₂ 박막이 여전히 낮은 저항상태로 유지되어 있음을 가리킨다. 이와 같이 높은 바이어스 전압을 인가해 주었을 경우 오직 순방향 상전이만 발생함을 볼 수 있고, 상전이가 일어나기 전의 고저항 상태의 절연 상태로 돌아가지 못함을 말하고 있다.

Fig. 3. (a) A schematic diagram of a closed-loop circuit for investigating the light-induced bistable switching in a VO₂-based device. The closed-loop circuit consists of a VO₂-based device, a resistor, and a DC voltage source, which are connected in series. Static responses of V_D obtained by increasing and decreasing P_L when values of V_S are (b) 6 V, (c) 7 V, (d) 8 V, (e) 9 V, and (f) 10 V

위에서 언급되었던 것처럼 낮은 바이어스 전압은 이력현상의 폭을 좁게 만들고, 순방향 상전이가 일어나는 빛의 파워는 높아지게 만든다. 이것은 낮은 바이어스 전압에서는 쌍안정 스위칭을 위해서 높은 빛의 파워가 필요함을 의미하는데, 높은 빛의 파워는 적외선 레이저로 유도된 초과열에 의해 VO₂ 박막이 절연 상태로 복귀하지 못하게 되어, 결국 높은 고저항 상태로의 전이가 억제된다. 이 결과는 전기적, 광학적 요인이 복합적으로 작용함을 의미한다. 상대적으로 높은 바이어스 전압을 인가했을 경우에는 순방향 상전이가 일어난 후에 높은 바이어스 전압에 의한 줄열이 VO₂ 박막에 발생하게 되고 이는 마찬가지로 쌍안정 스위칭을 일어나지 못하게 하는 요인으로 작용하게 된다. 일반적으로 이력현상의 폭은 기판의 종류 도핑 프로세스와 같은 박막성장조건에 의해 조절된다^[13]. 다른 관점에서 볼 때 이력현상의 폭은 순방향 상전이가 일어날 경우 소자에 흐르는 전류와 밀접한 관계가 있음을 보여준다. 소자 양단에 걸리는 전압이 인가된 바이어스 전압이 증가함에 따라 증가되고, 바이어스 전압에 의해 소자에 흐르는 전류가 커지게 되면 전기적인 줄열에 의해 이력현상의 폭은 넓어지게 된다. 또한, 이력현상의 폭은 소자의 크기에 따라 조절될 수도 있다. 또한 외부 온도 변화 역시 상전이의 문턱 전압 및 이력현상 폭에 영향을 줄 수 있으나, 본 실험은 실내 상온 조건(약 25°C)에서 수행되어 온도 변수의 영향은 최소화되었다.

Fig. 4(b), 4(c), 4(d), 4(e)와 4(f)는 각각 바이어스 전압이 6 V, 7 V, 8 V, 9 V, 10 V로 인가된 상태에서 VO₂ 소자에 40.7mW의 “SET” 펄스와 0.3 μW의 “RESET” 펄스가 교대로 세 번씩 인가될 경우 나타나는 소자의 과도 응답을 보여주고 있으며, Fig. 4(b)는 인가되는 펄스들의 시간적인 빛의 파워 변화를 나타내고 있다. 이 때, 탐침 (probe) 신호로는 20.9 mW의 광 파워를 갖는 광 신호를 사용하였다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 인가된 바이어스 전압의 값에 따라 동일한 광 파워를 갖는 탐침 신호에서 인가되는 “SET” 및 “RESET” 펄스에 의한 소자의 과도 응답의 차이가 있음을 확인할 수 있다. 인가된 바이어스 전압이 6 V와 7 V일 경우에는 “SET” 펄스를 인가해 주어도 쌍안정 스위칭이 일어나지 않음을 알 수 있다. 7 V일 경우에는 6 V일 경우보다 “SET” 펄스를 인가후에 순간적인 소자의 전압의 변화가 있지만 탐침 신호에서 어떠한 신호도 관측되지 않았다. 반면, 인가된 바이어스 전압이 8 V와 9 V일 경우에는 “SET” 펄스가 인가되면, 순방향 상전이가 발생하여 탐침 신호에서 소자의 고저항 상태에서 (OFF) 저저항 상태로 (ON) 로 스위칭 됨을 알 수 있다. 역으로 특정 탐침 신호에서 저저항 상태 (ON) 를 나타내는 소자는 “RESET” 펄스가 소자에 인가되면, 역방향 상전이가 발생하여 탐침 신호에서 다시 고저항 상태 (OFF) 를 나타낸다. 메모리 소자의 측면에서 고려하면, 고저항 상태 (OFF) 에서 저저항 상태 (ON) 로 변화되는 것은 “기록” 동작에 해당하고, 반대의 변화는 “소거” 동작에 해당한다. 그러나, 저저항 상태가 계속 유지되기 위해서는 탐침 신호와 직류 전압원이 항상 인가되어야 하는 제약이 존재한다. 인가된 바이어스 전압이 10 V일 경우에는 고저항 상태 (OFF) 에서 저저항 상태 (ON) 로의 스위칭이 됨을 Fig. 4(d)에서 알 수 있다. 하지만 이 경우에는 “RESET” 펄스가 소자에 인가된다 할지라도 저저항 상태 (ON) 에서 고저항 상태 (OFF) 로 돌아가지 않음을 알 수 있다. 이는 높은 바이어스 전압이 “SET” 펄스로 저저항 상태 (ON) 로 스위칭이 된후 소자의 VO₂ 박막에 줄열을 발생시키기 때문이라 여겨진다. 바이어스 전압이 6 V 이하이거나 9 V 으로 초과되어 인가될 경우 정동작 응답에서 뚜렷한 이력현상을 존재하지 못하게 하고 이는 결국 쌍안정 스위칭을 방해하는 요소로 작용하게 된다. 더욱이 6 V 와 7 V 에서는 쌍안정 스위칭이 관측되지 않았다. 이력현상의 존재의 여부로 쌍안정 스위칭의 동작여부를 판단한다면 6 V 로 바이어스 전압을 인가해 주었을 경우에도 정동작 응답의 미세한 이력현상이 존재하기 때문에 쌍안정 스위칭이 일어날 수도 있게 보여진다. 그러나 6 V와 같은 낮은 바이어스 전압에서는 높은 빛 파워 (> 80mW) 의 “SET” 펄스가 쌍안정 스위칭을 일으키기 위해 요구되고, 높은 빛의 파워는 레이저에 의한 필요이상의 열을 소자에 발생시켜 저저항 상태 (ON) 로 스위칭된 소자를 고저항 상태 (OFF) 로 되돌아오지 못하게 한다.

Fig. 4. Transient responses of I obtained by stimulating “SET” and “RESET” optical pulses when applied DC bias values are (b) 6 V, (c) 7 V (d) 8 V (e) 9 V and (f) 10 V and, (a) the corresponding temporal power variation of illumination light with “SET” and “RESET” optical pulses

4. 결 론

본 논문에서는 직류 전압원, 일반 저항, VO₂ 소자를 직렬로 연결한 회로를 구성하여 바이어스 전압(6 ~ 9 V)과 광 파워 변화에 따른 VO₂ 소자의 전기적 응답을 분석하였다. 그 결과, 인가 전압이 증가함에 따라 이력현상이 점차 뚜렷해지고, 광 유도 쌍안정 스위칭이 발생하는 전압 범위가 8 ~ 9 V 구간에서 한정적으로 유지됨을 확인하였다. 이는 VO₂ 소자의 쌍안정 스위칭이 특정 바이어스 조건에서만 안정적으로 작동함을 실험적으로 입증한 것이다. 이러한 결과는 VO₂ 기반 소자가 전압·광 복합 제어형 메모리 소자, 광학 신경망 및 뉴로모픽 회로 등 차세대 광전자 소자 응용으로 확장될 수 있음을 시사한다.