KR100609699B1 - 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 2단자반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 2단자반도체 소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 제1 전극막과, 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막과, 그리고 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막을 구비한다. 이에 따르면 제1 전극막 및 제2 전극막 사이에 인가되는 전계에 의해 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막에서는 구조적 상전이가 아닌 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 발생한다.
금속-절연체 전이, 반도체 소자, 온도센서, 광전센서, 메모리 소자
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자를 나타내 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자를 나타내 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자를 적용한 2단자망 회로도이다.
도 4는 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질에서의 정공 도핑 효과를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다.
도 5는 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질에서의 2eV 이하의 서브 갭의 존재를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다.
도 6은 도1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질에서의 온도에 따른 캐리어 변화를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다.
도 7은 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질에서의 온도에 따른 저항값의 변화를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다.
도 8은 온도의 변화에 따른 물질의 구조적 변화를 알아보기 위한 라만산란 실험의 결과 데이터를 나타내 보인 그래프이다.
도 9는 전류의 변화에 따른 물질의 구조적 변화를 알아보기 위하여 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질에 대한 마이크로 라만산란 실험의 결과 데이터를 나타내 보인 그래프이다.
도 10은 온도의 변화에 따른 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 11은 도 3의 2단자망 회로에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 12는 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질의 금속상의 히스테리시스 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 13은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 바나듐이산화막를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 14는 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 15는 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 16은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체소자에서의 온도의 변화에 따른 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 17은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소의 금속상의 히스테리시스 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 18(a) 및 도 18(b)는 각각 갈륨비소의 전기전도도 (σ)의 온도의존성과, 저농도의 정공이 첨가된 p 갈륨비소 박막의 저항의 온도의존성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체소자에서 514.5nm의 Ar 이온레이저를 이용하여 관측한 광전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 20은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체소자에서 파장이 488nm인 아르곤 레이저를 입사시켜 소자에서 방출되는형광세기의 파장의존성 스펙트럼을 보인 그래프이다.
도 21은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체소자에서 전류를 흘리면서 전압을 측정하는 전류제어방식으로 측정된 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 22는 도 2의 2단자 반도체소자의 전극 형상의 일예를 설명하기 위하여 나타내 보인 사시도이다.
도 23은 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 두께의 변화에 따른 길이 및 폭의 상관관계를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.
본 발명은 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급격한 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition; 이하 MIT) 반도체 물질을 이용한 2단자 반도체소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 구조 상전이물질을 이용한 메모리소자에 대한 관심 및 그에 따른 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 이와 같은 구조 상전이 물질을 이용한 메모리소자의 일예가 미국특허번호 제5,687,112호에 개시되어 있다. 여기서 개시하고 있는 소자는 고온에서 일어나는 결정상(crystalline phase)과 비결정상(amorphous phase)의 구조적인 상변화(structural phase change)를 이용한 상변화 메모리(phase change memory; PCM) 소자이다. 이와 같은 상변화 메모리 소자의 경우 구조적인 상변화에 따른 상태 변화를 이용할 수 있으므로 메모리 소자로서 이용될 수는 있지만, 다른 분야, 예컨대 스위칭 소자로서 이용하기에는 적절치 않다. 그 이유는 구조적 상변화에 따른 원자의 위치 변화로 인하여 빠른 스위칭 속도를 구현할 수 없기 때문이다. 만약 스위칭 속도를 빠르게 강제한다면 히스테리시스 현상으로 인하여 결국에는 소자가 파괴된다. 이와 같이 상변화 메모리 소자의 경우에는 그 적용 범위가 협소하다는 한계를 갖는다.
한편 금속-절연체 전이를 이용하는 반도체 소자로서, 연속적 금속-절연체 전이, 즉 2차 전이를 하는 모트-허바드(Mott-Hubbard) 절연체를 채널층에 사용하는 모트-허바드 전계효과 트랜지스터가 제안된 바 있다. 모트-허바드 전계효과 트랜지스터는 D. M. Newns, J. A. Misewich, C. C. Tsuei, A. Gupta, B. A. Scott, A. Schrott, Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 780 에서 보여준다. 모트 전계효과 트랜지스터는 금속-절연체 전이에 따라 온/오프 동작을 수행하며, 일반적인 모스 전계효과 트랜지스터와 달리 공핍층이 존재하지 않으므로 소자의 집적도를 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 모스 전계효과 트랜지스터보다 고속의 스위칭 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나 모트-허바드 전계효과 트랜지스터는, 연속적으로 발생되는 금속-절연체 전이를 이용하므로, 금속적 특성을 가장 잘 나타낼 때까지 연속적으로 이동자(carrier)로 이용될 전하를 첨가하여야 한다. 따라서 첨가하는 전하가 고농도이어야 하는데, 그에 따라 게이트 절연막의 유전율이 크거나, 게이트 절연막의 두께가 얇거나, 또는 인가되는 게이트 전압이 커져야 한다. 그러나 유전율이 너무 커지면, 고속 스위칭 동작에서 유전체의 피로 특성이 급격하게 나빠져서 트랜지스터의 수명이 단축된다. 그리고 절연체의 두께를 얇게 하는 것은 공정상의 한계로 인하여 어려운 점이 있다. 또한 게이트 전압이 커지는 경우 전력 소모가 증가하여 저전력용으로 사용하기가 어렵다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 연속적이 아닌 급격한 금속-절연체 전이 물질을 이용한 스위칭 전계효과 트랜지스터가 미국특허번호 제6,624,463호에 개시되어 있다. 이 급격한 금속-절연체 전이 물질은, 모트-브링크만-라이스 절연체에 저농도의 정공(hole)을 첨가함으로써 절연체로부터 금속으로의 전이가 연속적이 아닌 급격하게 일어나는 특성을 갖는 물질이다. 저 농도의 정공 첨가에 의한 정공 유도 금속-절연체 이론 (Hole-driven metal-insulator transition theory)은 Hyun-Tak Kim의 "New Trends in Superconductivity", NATO Science Series Vol II/67 (Kluwer, 2002) p137 혹은 http://xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112에 제시되어 있다. 그리고 모트-브링크만-라이스 절연체의 대표적인 물질인 바나듐이산화막(VO2)을 이용한 급격한 금속-절연체 전이에 관한 연구는 Hyun-Tak Kim, Byung-Gyu Chae, Doo-Hyeb Youn, Sung-Lyul Maeng, Gyungock Kim, Kwang-Yong Kang, Yong-Sik Lim의 New Journal of Physics 6 (2004) 52에서 주어진다. 첨가하는 정공의 농도가 매우 저농도이므로, 연속적인 금속-절연체 전이 물질을 이용한 전계효과 트랜지스터가 갖고 있던 문제점들이 해결된다. 그러나 이와 같은 급격한 금속-절연체 전이 물질은 제한되어 있으며, 아직까지는 대부분의 급격한 금속-절연체 전이 물질막을 양호한 품질로 형성하는데 고비용이 소요된다는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 구조적 상전이를 유발하지 않으면서 저비용으로 용이하게 형성할 수 있는 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기와 같은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
여기서 반도체라는 것은 2eV 이하의 에너지 갭과 정공준위 혹은 전자준위를 갖으며 저온에서 절연체인 물질로 정의해 둔다. 정공준위는 정공을 가지고 전자준위는 전자를 가지고 있는 것을 의미하며, 그 물질은 유기물 과 무기물을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 제1 전극막; 상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 및 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 Si, Ge, Al, As, Sb, B, N, Ga, P, In, Te, Ag, Cd, Zn, Pb, S, Bi, K, H, Be, O 또는 C의 개별 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 화합물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체인 Y, Pr, Ba, Cu, La, Sr, Ti, V, Ca, Fe, W, Mo, Nb, Al, Hf, Ta, Zr, La, O 또는 Pd 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 산화물 반도체를 포함할 수 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형, Fe, S, Sm, Se, Te, Eu, Si, Mn, Co, B, H, Li, Ca, Y, Ru, Os, P, As, P, Ir,Ti, Zr, Hf, Mo, Te, Tc, Re, Rh, Pt, Yb, B, O 혹은 C 원소, 전이, 희토류 및 란탄계 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 반도체를 포함할 수 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 반도체, 저농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체, 반도체 원소(III-V족, II- VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 p형 무기물 화합물 반도체 또는 저 농도의 정공이 첨가된 p형 유기물 반도체를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 반도체는, Si(100), Si(111), Si(110), Si:B, Si:P, Ge(100), SiC, SiGe, AlAs, AlSb, BN, GaAs, InGaAs, GaP, GaSb, GaxSb1-x (0≤x≤0.5), GexSb1-x (0≤x≤0.2), InGaSb, InN, InAs, InP, InSb, InxSb1-x (0≤x≤0.5), GeaInbSbcTed
(0≤a≤0.2, 0≤b≤0.2, 0.5≤c≤1, 0≤d≤0.5), InxSbyTez (0≤x≤0.2, 0.5≤y≤1, 0≤z≤0.3), AgaIn
bSbcTed
(0≤a≤0.2, 0≤b≤0.2, 0.5≤c≤1, 0≤d≤0.5), TeaGebSncAud (0.5≤a≤1, 0≤b≤0.2, 0.0≤c≤0.3, 0≤d≤0.5), AgSbTe2, AgInTe2, GeCdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, Grey Sn, Grey Se, Sb, Te, Sb1-
xTex
(0≤x≤0.5), B, DAC(Diamondlike Amorphous-C), TAC(Tetrahedral Amorphous-C):N, a-C;H(Amorphous hydrogenated carbon films, 또는 DLC(Diamond-Like Carbon), K4C60, K6C60, Ga-As-Si시스템, Ga-GaAs-Ge시스템, Ga-GaAs-Sn, Ga-As-Sn시스템, Ga-As-Zn시스템, Ga-P-Si시스템, Ga-P-Zn시스템, Ga-P-Ge시스템, GaP-Bi시스템, GeTe-Bi2Te3시스템, GeSb2Te4
시스템, GaP:N, GaAs:Ca, GaAs:K, GaAs:Cl 또는 GeBi2Te4를 포함할 수 있다.
상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체는, Y1-xPrxBa2Cu
3O7-d (0≤x≤ 1), La2-
xSrxCuO4 (0≤x≤1), La2-
x
BaxCuO4 (0≤x≤1), Ba1-
xSrTiO3 (0≤x≤1), La1-xSrTiO3 (0≤x≤1), VO2, V2O3, CaxV
1-
xO2 (0≤x≤1), AlxV1-
xO2
(0≤x≤1), TixV1-
xO2 (0≤x≤1), FexV1-
xO2 (0≤x≤1), WxV1-
xO2 (0≤x≤1), MoxV1-
xO2 (0≤x≤1), Fe3O4, Nb2O5, WO3, Ti2O3, PdO, Al2O3, HfO2, SiO
2, Y2O3, Ta2O5, TiO2 또는 ZrO
2를 포함할 수 있다.
상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 전이금속과 이 전이금속을 포함하는 반도체는, Fe1-
xS (0≤x≤0.5), SmS, SmSe, SmTe, Eu3S4, FeSi
2, Fe1-
xMnxSi2 (0≤x≤0.5), Fe1-xCoxSi2 (0≤x≤0.5), B:H(9%), B:H(11%), B:H(24%), LiAlB1
4, CuB4, CaB6, a-AlB12, YB66, SmB66, Mn11Si19, Mn26
Si45, Mn15Si26, Ru2Si3, Fe2
Si2, RuP2, RuPAs, RuAs2, OsP2, OsAs2, RhP2, RhAs2, IrP2, IrAs2
, RuP4, FeAs, RuAsS, OsPS, OsAsS, OsPSe, Ti1+xS2 (0≤x≤0.5), TiS3-x (0≤x≤0.5), Zr1+
x
Se2 (0.01≤x≤0.1), Zr2S3, ZrSe3, HfSe2, MoS2, 2H-MoTe2-x (0.01≤x≤0.1), 2H-WSe2, MnTe, TcS
2, TcSe2, ReS2, ReSe2, FeS2, RuS2, RuSe2, RhS3, RhSe2, RhSe3
, IrS2, IrSe2, PtS, PtxS2 (0.9≤x≤1), SmTe, EuTe, YbSe, YbTe 또는 BC를 포함할 수 있다.
상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 유기물 절연체는, D+는 유기적 도너이고 A-는 유기적 억셉터인 D+A- 유형일 수 있다.
이 경우 상기 D+A- 유형은, D+A- = TTF + Br, D+
A- = BEDT-TTF 또는 D+A- = TMPD + TCNQ를 포함하되, 상기 TTF는 테트라티오풀발렌(tetrathiofulvalene)이고, 상기 EDT-TTF는 비스-에틸렌디티오-테트라티오풀발렌(bis-ethylenedithio-tetrathiofulvalene)이고, 상기 TMPD는 N,N,N'N'-테트라메틸-p-페닐렌디아민(N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine)이며, 상기 TCNQ는 유기테트라시아노-퀴노디메탄(tetracyano-p-quinodimethane)이며, 그리고 TCNQ는 정공주입에 의해 TCNQ-와 TCNQ사이에서 스위칭하는 활성성분인 것이 바람직하다.
또한 상기 p형 유기물 반도체는, 펜타센(pentacene)과 펜타센 유도체, 티오펜(thiophene)과 티오펜 올리고머(thiophene oligomer), 벤조디티오펜 다이머(benzodithiophene dimer), 프탈로사이아닌(phthalocyanine), 폴리(알킬티오펜)(Poly(alkyl-thiophene)), 폴리(3-헥실릴티오펜)(Poly(3-hexylyl-thiophene)), 폴리(3-옥틸티오펜)(Poly(3-octyl-thiophene)), 폴리(3-도데실티오펜) (Poly(3-dodecyl-thiophene)), 안티라디티오펜(anthradithiophene: ADT), 다이헥실-안티라디티오펜(dihexyl-ADT), 디도데실-안티라디티오펜(didodecyl-ADT), 디옥타데실-안티라디티오펜(dioctadecyl-ADT)을 포함하는 티오펜 유도체, 아로마틱 화합물(aromatic compound) 유기물을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극막 및 제2 전극막은, W, Mo, Au/Cr, Ti/W, Ti/Al/N, Ni/Cr, Al/Au, Pt, Cr/Mo/Au, YBa2Cu3O7-d 또는 Ni/Mo/Au을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극막 및 제2 전극막 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 제1 전극막; 상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 및 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판은, Si, SiO2, GaAs, Al3O4, 플라스틱, 유리, V2O
5, PrBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7, MgO, SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3, 또는 절연막 위의 실리콘(SOI) 기판을 포함할 수 있다.
상기 기판과 제1 전극막 사이에 배치된 버퍼층을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 경우 상기 버퍼층은, SiO2 또는 Si3N4막을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극막 및 제2 전극막 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 제1 전극막; 상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막; 및 상기 급격한 금 속-절연체 전이 반도체 물질막의 양 측면들 중 적어도 어느 한 측면상에 배치되는 게이트 절연막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 제1 전극막; 상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막; 및 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 양 측면들 중 적어도 어느 한 측면상에 배치되는 강자성체 박막을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 구조에서는 급격한 금속-절연체 전이가 일어날 때 흐르는 큰 전류에 의해 동심원으로 생긴 자기장으로 강자성체 박막 속에 있는 자기모멘트의 방향을 제어할 수 있다. 이 원리로 비휘발성 자기 메모리를 만들 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 및 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에서 상호 대향하면서 이격되도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기판과 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 사이에 배치된 버퍼층을 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극막 및 제2 전극막 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극막 및 제2 전극막인 핑거 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에서 상호 대향하면서 이격되도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막; 및 상기 제1 전극막 및 제2 전극막 사이의 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 게이트 절연막을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자는, 기판; 상기 기판 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에서 상호 대향하면서 이격되도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막; 및 상기 제1 전극막 및 제2 전극막 사이의 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 강자성체 박막을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 구조에서는 급격한 금속-절연체 전이가 일어날 때 흐르는 큰 전류에 의해 동심원으로 생긴 자기장으로 강자성체 박막 속에 있는 자기모멘트의 방향을 제어할 수 있다. 이 원리로 비휘발성 자기 메모리를 만들 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자의 제조방법은, 기판 위에 제1 전극막을 형성하는 단계; 상기 제1 전극막 위에 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계; 및 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 제2 전극막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 전극막 및 제2 전극막을 형성하는 단계는, 스퍼터링 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계는, 펄스레이저 방법을 사용하여 수행할 수 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계는, 분자빔에피택시 방법을 사용하여 수행할 수도 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하기 전에 상기 기판 위에 버퍼층을 먼저 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자의 제조방법은, 기판 위에 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계; 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 금속막을 형성하는 단계; 및 상기 금속막을 패터닝하여 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 일부 표면을 노출시키고, 상기 노출면을 사이에 두고 상호 대향하도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하기 전에 상기 기판 위에 버퍼층을 먼저 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자를 나타내 보인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자(100)는, 수직 방향으로 전류가 흐르는 적층형 구조로서 기판(110) 위에 버퍼층(120), 제1 전극막(141), 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130) 및 제2 전극막(142)이 순차적으로 적층되는 구조를 갖는다. 경우에 따라서 기판(110), 버퍼층(120) 및 제1 전극막(141)은 하나의 막으로 형성될 수도 있다. 이 경우 기판(110) 및 버퍼층(120) 없이 제1 전극막(141) 자체가 기판이 된다. 경우에 따라서 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)의 양 측면 중 적어도 어느 한 면 위에 게이트 절연막 혹은 강자성체 박막이 배치될 수 있다.
상기 기판(110)으로는 특별한 제한이 없으며 일 예로서 Si, SiO2, GaAs, Al3O4, 플라스틱, 유리, V2O5, PrBa2Cu3
O7, YBa2Cu3O7, MgO, SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3, 또는 절연막 위의 실리콘(SOI; Silicon On Insulator) 기판을 사용할 수 있다. 상기 버퍼(120)는 기판(110) 위에 제1 전극막(141)이 잘 성장할 수 있도록 배치되는 것으로서, 경우에 따라서 생략될 수도 있다. 버퍼층(141)은 기판(110) 및 제1 전극(141)의 격자상수를 조절할 수 있는 물질, 예컨대 SiO2, Si3N4
막 등으로 이루어진다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)은, 저 농도의 정공이 첨가될 때 급격한 금속-절연체 전이를 일으키는 반도체 물질로 된 박막을 의미한다. 여기서 저 농도라는 것은 모트의 기준(criterion)에서 생각하면, 정공농도(n)는 대략(0.2/aH)3(여기서 aH는 그 물질에서 보어 반지름)으로 주어진다. 예로서 에너지 갭이 0.6 eV이면서 정공준위를 갖는 바나듐이산화막 VO2에 대해서 정공 농도는 대략 n=0.0018% 정도로서 약 n=3 x 1018 cm-3 이다. 이와 같은 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)은 2eV 이하의 에너지 갭(energy gap)을 가지며 정공 준위(hole level)내의 정공을 갖는 물질로 이루어진다. 또 다른 예는 에너지 갭이 1.45eV 정도이고 홀준위를 갖는 갈륨비소 p GaAs에 대해서 정공 농도는 약 n=0.001% 정도로서 약 n=1 x 1014 cm-3 이다. 저 농도의 정공 첨가에 의한 정공 유도 급격한 금속-절연체 이론은 (Hole-driven metal-insulator transition theory)은 Hyun-Tak Kim의 "New Trends in Superconductivity", NATO Science Series Vol II/67 (Kluwer, 2002) p137 혹은 http://xxx.lanl.gow/abs/cond-mat/0110112에 제시되어 있다. 그 결과 식은 도 4에서 보여준다. 여기서 정공 준위라 함은 정공이 속박 상태로 존재하는 에너지 준위를 의미한다. 고저항 n형 반도체의 경우에도 급격한 금속-절연체 전이 물질막(130)으로 사용될 수 있다.
상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 Si, Ge, Al, As, Sb, B, N, Ga, P, In, Te, Ag, Cd, Zn, Pb, S, Bi, K, H, Be, O 또는 C의 개별 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 화합물 반도체를 포함한다. 그리고 저농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체인 Y, Pr, Ba, Cu, La, Sr, Ti, V, Ca, Fe, W, Mo, Nb, Al, Hf, Ta, Zr, La, Pd, O 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 산화물 반도체를 포함한다. 또한 저 농도의 정공이 첨가된 Fe, S, Sm, Se, Te, Eu, Si, Mn, Co, B, H, Li, Ca, Y, Ru, Os, P, As, P, Ir,Ti, Zr, Hf, Mo, Te, Tc, Re, Rh, Pt, Yb, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, 뗘, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, O 혹은 C 원소, 전이, 희토류 및 란탄계 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 반도체를 포함한다.
이와는 다르게 분류하면, 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)으로서 저농도의 정공이 첨가된 p형 반도체, 저 농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 p형 무기물 화합물 반도체 또는 저 농도의 정공이 첨가된 p형 유기물 반도체 및 절연체 등이 있다.
매우 적은 농도의 정공이 첨가된 p형 반도체는, Si(100), Si(111), Si(110), Si:B, Si:P, Ge(100), SiC, SiGe, AlAs, AlSb, BN, GaAs, InGaAs, GaP, GaSb, GaxSb1-x (0≤x≤0.5), InGaSb, GexSb1-x (0≤x≤0.2), InN, InAs, InP, InSb, InxSb1-x (0≤x≤0.5), GeaInbSbcTed
(0≤a≤0.2, 0≤b≤0.2, 0.5≤c≤1, 0≤d≤0.5), InxSbyTez (0≤x≤0.2, 0.5≤y≤1, 0≤z≤0.3), AgaIn
bSbcTed
(0≤a≤0.2, 0≤b≤0.2, 0.5≤c≤1, 0≤d≤0.5), TeaGebSncAud (0.5≤a≤1, 0≤b≤0.2, 0.0≤c≤0.3, 0≤d≤0.5), AgSbTe2, AgInTe2, GeCdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, Grey Sn, Grey Se, Sb, Te, Sb1-
xTex
(0≤x≤0.5), B, DAC(Diamondlike Amorphous-C), TAC(Tetrahedral Amorphous-C):N, a-C;H(Amorphous hydrogenated carbon films, 또는 DLC(Diamond-Like Carbon), K4C60, K6C60, Ga-As-Si시스템, Ga-GaAs-Ge시스템, Ga-GaAs-Sn, Ga-As-Sn시스템, Ga-As-Zn시스템, Ga-P-Si시스템, Ga-P-Zn시스템, Ga-P-Ge시스템, GaP-Bi시스템, GeTe-Bi2Te3시스템, GeSb2Te4
시스템, GaP:N, GaAs:Ca, GaAs:K, GaAs:Cl 또는 GeBi2Te4를 포함한다.
매우 적은 농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체는, Y1-xPrxBa2Cu
3O7-d (0≤x≤1), La2-
xSrxCuO4 (0≤x≤1), La2-
x
BaxCuO4 (0≤x≤1), Ba1-
xSrTiO3 (0≤x≤1), La1-xSrTiO3 (0≤x≤1), VO2, V2O3, CaxV
1-
xO2 (0≤x≤1), AlxV1-
xO2
(0≤x≤1), TixV1-
xO2 (0 ≤x≤1), FexV1-
xO2 (0≤x≤1), WxV1-
xO2 (0≤x≤1), MoxV1-
xO2 (0≤x≤1), Fe3O4, Nb2O5, WO3, Ti2O3, PdO, Al2O3, HfO2, SiO
2, Y2O3, Ta2O5, TiO2, 또는 ZrO
2를 포함한다.
매우 적은 농도의 정공이 첨가된 p형 전이금속과 이 전이금속을 포함하는 반도체는, Fe1-xS (0≤x≤0.5), SmS, SmSe, SmTe, Eu3S4, FeSi2
, Fe1-xMnxSi2 (0≤x≤0.5), Fe1-
xCoxSi2 (0≤x≤0.5), B:H(9%), B:H(11%), B:H(24%), LiAlB14, CuB4, CaB6, a-AlB12, YB66, SmB66, Mn11Si19, Mn26
Si45, Mn15Si26, Ru2Si3, Fe2
Si2, RuP2, RuPAs, RuAs2, OsP2, OsAs2, RhP2, RhAs2, IrP2
, IrAs2, RuP4, FeAs, RuAsS, OsPS, OsAsS, OsPSe, Ti1+
xS2 (0≤x≤0.5), TiS3-x (0≤x≤0.5), Zr
1+
xSe2 (0.01≤x≤0.1), Zr2S3, ZrSe3, HfSe2, MoS2, 2H-MoTe2-x (0.01≤x≤0.1), 2H-WSe
2, MnTe, TcS2, TcSe2, ReS2, ReSe2, FeS2, RuS2, RuSe2, RhS3, RhSe2
, RhSe3, IrS2, IrSe2, PtS, PtxS2 (0.9≤x≤1), SmTe, EuTe, YbSe, YbTe 또는 BC를 포함한다.
매우 적은 농도의 정공이 첨가된 p형 유기물 반도체는, D+는 유기적 도너(Organic Donor)이고 A-는 유기적 억셉터(an Organic Acceptor)인 D+A-
유형으로서, D+A- = TTF + Br, D+A- = BEDT-TTF 또는 D+A
- = TMPD + TCNQ를 포함한다. 여기서 TTF는 테트라티오풀발렌(tetrathiofulvalene)이다. BEDT-TTF는 비스-에틸렌디티오-테트라티오풀발렌(bis-ethylenedithio-tetrathiofulvalene)이다. TMPD는 N,N,N'N'-테 트라메틸-p-페닐렌디아민(N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine)이다. TCNQ는 유기테트라시아노-퀴노디메탄(tetracyano-p-quinodimethane)이다. 그리고 TCNQ는 정공주입에 의해 TCNQ-와 TCNQ사이에서 스위칭하는 활성성분이다.
또한 상기 p형 유기물 반도체는, 펜타센(pentacene)과 펜타센 유도체, 티오펜(thiophene)과 티오펜 올리고머(thiophene oligomer), 벤조디티오펜 다이머(benzodithiophene dimer), 프탈로사이아닌(phthalocyanine), 폴리(알킬티오펜)(Poly(alkyl-thiophene)), 폴리(3-헥실릴티오펜)(Poly(3-hexylyl-thiophene)), 폴리(3-옥틸티오펜)(Poly(3-octyl-thiophene)), 폴리(3-도데실티오펜) (Poly(3-dodecyl-thiophene)), 안티라디티오펜(anthradithiophene: ADT), 다이헥실-안티라디티오펜(dihexyl-ADT), 디도데실-안티라디티오펜(didodecyl-ADT), 디옥타데실-안티라디티오펜(dioctadecyl-ADT)을 포함하는 티오펜 유도체, 아로마틱 화합물(aromatic compound) 유기물을 포함한다.
상기 제1 전극막(141) 및 제2 전극막(142)은, W, Mo, Au/Cr, Ti/W, Ti/Al/N, Ni/Cr, Al/Au, Pt, Cr/Mo/Au, YBa2Cu3O7-d 또는 Ni/Mo/Au을 포함한다.
이와 같은 구조의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 반도체 소자의 동작을 설명하면, 제1 전극막(141) 및 제2 전극막(142)에 일정 크기의 바이어스를 인가하면, 제1 전극막(141) 및 제2 전극막(142) 사이의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130) 양단에 일정 크기의 전계가 형성된다. 이 전계에 의해 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130) 내의 정공 준위에 있는 정공들이 밸런 스밴드(valence band)로 주입되는 정공 도핑(hole doping) 현상이 발생한다. 정공 도핑 현상이 발생함에 따라 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)이 절연체에서 금속으로 전이하며, 그 결과 제1 전극막(141)과 제2 전극막(142) 사이로 많은 전류가 흐르게 된다.
상기 적층형 구조의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 2단자 반도체 소자를 제조하는 방법을 설명하면, 먼저 실리콘기판과 같은 반도체기판(110) 위에, 예컨대 티타윰(Ti)막과 같은 버퍼층(120)을 형성하고, 그 위에 하부전극으로서 제1 전극(141)을 백금(Pt) 박막으로 형성한다. 백금(Pt) 박막은 스퍼터링(sputtering) 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 다음에 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)을, 예컨대 바나듐이산화막(VO2)막을 사용하여 형성한다. 바나듐이산화막(VO2)막은 펄스레이저 방법을 사용하여 증착할 수 있다. 경우에 따라서 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)은 분자빔 에피택시(MBE ;Molecular Beam Epitaxy) 방법으로도 형성할 수 있다. 다음에 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130) 위에 제2 전극(142)을 금/크롬(Au/Cr)막으로 형성한다. 형성 방법으로는 스퍼터링 방법을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자를 나타내 보인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자(200)는, 수평방향으로 전류가 흐르는 평면형 구조로서, 기판(210) 위에 버퍼층(220)이 배치되고, 버퍼층(220) 위에 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 패턴(230)이 배치된다. 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 패턴(230)은 버퍼층(220)의 일부 표면 위에만 배치된다. 제1 전극막(241) 및 제2 전극막(242)은 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 패턴(230) 위에서 일정 간격 상호 이격되도록 배치된다. 경우에 따라서 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(230) 위의 제1 전극막(241) 및 제2 전극막(242) 사이에 게이트 절연막 혹은 강자성체 박막이 배치될 수 있다.
이와 같은 평면형 구조의 2단자 반도체 소자(200)의 동작은, 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 패턴(230)이 금속으로 전이되어 흐르는 전류의 방향이 수평방향이라는 점을 제외하고는 도 1을 참조하여 설명한 적층형 구조의 2단자 반도체 소자(100)와 동일하다.
상기 평면형 구조의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자를 제조하는 방법을 설명하면, 먼저 실리콘기판과 같은 반도체기판(210) 위에, 예컨대 티타윰(Ti)막과 같은 버퍼층(220)을 형성하고, 그 위에 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)을, 예컨대 바나듐이산화막(VO2)막을 사용하여 형성한다. 다음에 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130)을 패터닝하여 버퍼층(220)의 일부 표면을 노출시킨 후에, 전면에 금속막(미도시)을 형성한다. 그리고 이 금속막 위에 마스크막패턴(미도시)을 형성하고, 이 마스크막 패턴을 식각마스크로 한 식각공정으로 금속막의 노출부분을 제거한다. 그러면 채널영역으로 사용되는 급격한 금속-절연체 전이 물질막(130)의 일부 표면이 노출되고, 이 노출부분 양쪽으로 배치되는 제1 전극막(241) 및 제2 전극막(242)이 만들어진다. 다음에 상기 마스크막패턴을 제거한다.
도 3은 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체 소자를 적용한 2단자망 회로도이다.
도 3을 참조하면, 적층형 구조 또는 평면형 구조의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자(100 또는 200)의 일 전극, 예컨대 제1 전극막(141 또는 241)은 제1 단자(310)에 연결되고, 다른 전극, 예컨대 제2 전극막(142 또는 242)은 저항소자(300)를 개재하여 제2 단자(320)에 연결된다. 여기서 저항소자(300)는 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자(100 또는 200) 내에 많은 전류가 흘러서 소자가 파괴(failure)되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자(100 또는 200)가 많은 전류에 의해 파괴되지 않을 정도의 저항값(R)을 갖는다. 이 2 단자망 회로는 트랜지스터 혹은 전원에 연결 되어 사용될 수 있다.
도 4는 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질에서의 정공 도핑 효과를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다. 이 그래프의 내부곡선은 금속에서 이동자(carrier)의 유효질량(m*)과 밴드채우기인자 (band filling factor)(ρ)의 관계는 m*/m=1/(1-ρ4) 식에 의해서 주어진다. 전기전도도(σ)는 (m*/m)
2에 비례한다. 이와 같은 관계식은 Hyun-Tak Kim의 "New Trends in Superconductivity", NATO Science Series Vol II/67 (Kluwer, 2002) p137 혹은 http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0110112에 제시되어 있다.
도 4를 참조하면, 전자수가 원자수개임에도 불구하고 금속이 아닌 물질인 모트-브링크만-라이스 절연체(Mott insulator)의 경우, 원자들의 개수에 대한 전자들의 개수의 비율로 나타낼 수 있는 전도띠 채우기 인자(band filling factor)(ρ)가 1보다 작아지면, 즉 정공 도핑이 일어나면 모트-브링크만-라이스 절연체는 절연체에서 금속으로 전이한다. 전도띠 채우기 인자(ρ)가 1인 모트-브링크만-라이스 절연체에서 전도띠 채우기 인자(ρ)가 1보다 작아진다는 것은 정공 도핑이 일어났다는 것을 의미한다. 도면에서 참조 부호 "410"으로 나타낸 선은 절연체에서 금속으로 급격하게 점프(jump)하는 것을 나타내는 선이고, 참조 부호 "420"으로 나타낸 선은 금속으로 전이된 경우의 금속상태에서의 전자의 유효질량(m*/m)을 나타낸 선이다. 일반적으로 전기전도도가 금속상태에서의 전자의 유효질량(m*/m)의 제곱에 비례한다는 것은 잘 알려져 있다. 따라서 모트-브링크만-라이스 절연체에 매우 저농도의 정공을 도핑하면, 절연체에서 금속으로 전이하며, 이 경우 정공 도핑을 유발하는 정공 첨가량이 클수록 점프하는 정도가 낮아서 낮은 전기전도도를 나타내고, 반대로 정공 도핑을 유발하는 정공 첨가량이 작을수록 점프하는 정도가 커서 높은 전기전도도를 나타낸다. 여기서 일반적으로 반도체는 모트-브링크만-라이스 절연체가 아닌 것으로 해석되어 왔다. 그러나 위 이론에서 제시한 모트-브링크만-라이스 절연체의 특징인 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위 혹은 전자준위를 반도체물질도 또한 갖는다는 점에서 이를 이용한 2단자 반도체소자의 제작이 가능하다.
도 5는 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질에서의 2eV 이하의 서브 갭의 존재를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다. 이 그림은 광방출 분광학 데이터(Photoemission spectroscopy)로서, R. Zimmermann, R. Claessed, F. Reinert, P. Steiner, S. Hufner, J. Phys.: Condens. Matter 10 (1998) 5697에서 인용되었다.
도 5를 참조하면, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 정공 도핑에 따른 금속으로의 급격한 전이 현상을 나타내는 모트-브링크만-라이스 절연체인 VO2의 광방출 스펙트럼(photoemission spectrum)(참조 부호 "520"으로 나타낸 선) 및 V2O3
의 광방출 스펙트럼(참조 부호 "530"으로 나타낸 선)을 보면, 결합에너지(binding energy)(또는 에너지 갭)가 대략 6eV 내외에서 보여주는 메인 갭(main gap) 외에 2eV보다 작은 결합에너지에서 보여주는 서브 갭(sub 갭)(521 및 531로 표시한 부분)이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이와는 대조적으로 정공 도핑에 의해서도 급격한 금속-절연체 전이가 발생하지 않는 V2O5의 광방출 스펙트럼(참조 부호 "510"으로 나타낸 선)를 보면 메인 갭만이 존재할 뿐 2eV보다 작은 결합에너지에서 어떠한 서브 갭도 존재하지 않는다. 이와 같은 결과는 급격한 금속-절연체 전이를 나타내는 물질은 2eV 이하의 결합에너지에서 서브 갭이 존재한다는 것을 알려준다. 이것은 모트-브링크만-라이스 절연체의 특징이며 또한 반도체의 특징이기도하다.
도 6은 도1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질에서의 온도에 따른 캐리어 변화를 설명하기 위하여 홀 효과(Hall effect) 결과를 나타내 보인 그래프이다.
도 6을 참조하면, 대략 332K보다 작은 온도에서의 정공 농도를 살펴보면, 대략 1.25 x 1015/㎤ 내지 7.37 x 1015/㎤의 정공 농도를 나타낸다(6A 참조). 도면에서 "-" 표기는 전자가 아닌 정공이라는 것을 나타내기 위한 것이다. 여기서 대략 1.25 x 1015/㎤ 내지 7.37 x 1015/㎤의 농도를 나타내는 정공들은 밸런스밴드 내에 존재하는 정공들이다. 그러나 사실상 이 밸런스밴드 내의 정공들 이외에도 측정되지는 않지만 정공 준위 내에 존재하는 소량의 정공들이 존재한다. 이 정공 준위 내의 정공들은 온도가 증가함에 따라 나타나는데, 대략 332K로 온도가 상승하면 대략 1.16 x 1017/㎤의 정공들이 측정된다(6B 참조). 계속해서 온도가 증가하면, 이제는 많은 수의 전자들이 측정되며, 온도가 증가할수록 급격하게 많은 수의 전자들이 측정된다(6C 참조). 결론적으로 이와 같이 모트-브링크만-라이스 절연체에 온도를 증가시키면 대략 332K의 온도까지 정공 전위 내의 정공들이 측정되며, 온도가 더 증가하면 절연체에서 금속으로 급격하게 전이되면서 전자들이 측정된다. 이런 정공의 온도 의존성은 반도체의 특징이기도 하다. 정공에서 전자로 바뀌는 것은 금속-절연체 전이의 특징이다.
도 7은 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질에서의 온도에 따른 저항값의 변화를 설명하기 위하여 나타내 보인 그래프이다.
도 7을 참조하면, 사파이어(Al2O3)(결정면은 1102) 기판 위에 모트-브링크만 -라이스 절연체인 바나듐이산화막(VO2)막을 형성한 후에, 온도 변화에 따른 저항값을 측정한 결과, 대략 332K보다 낮은 온도에서는 상대적으로 매우 높은 저항값을 나타내는 반도체(반도체는 저온에서 절연체임) 상태(7A 참조)이고, 대략 332K에서 급격한 금속으로의 전이가 발생하여 대략 340K 이상의 온도에서는 매우 낮은 저항값을 나타내는 금속 상태(7B 참조)가 된다. 이와 같은 결과는 앞서 도 6을 참조하여 설명한 온도에 따른 정공 도핑의 결과 금속으로의 급격한 전이가 이루어진다는 것과 동일한 결과이다. 영역(7A)에서 온도의 증가에 따라 저항이 지수 함수적으로 감소하는 특징은 반도체의 특징이다.
도 8은 온도의 변화에 따른 물질의 구조적 변화를 알아보기 위한 라만산란 실험의 결과 데이터를 나타내 보인 그래프이다. 도 8에서 가로축은 라만 편이(Raman shift)를 나타내고 세로축은 스펙트럼의 세기를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 낮은 온도, 즉 45℃의 온도에서 높은 온도, 즉 85℃의 온도까지 변화하게 되면, 원자의 위치도 변경되는데, 구체적으로 도면에서 참조부호 "800"으로 나타낸 선으로 나타낸 바와 같이, 45℃의 온도에서 622㎝-1에 있는 가장 큰 단사정계(monoclinic)의 Ag 피크가 온도가 증가되어 85℃의 온도에서는 570㎝-1에 있는 넓은 정방정계(tetragonal)의 A1g 피크로 변경된다. 이와 같이 특정 위치에서의 원자의 분극(polarization) 상태를 나타내는 피크의 위치가 변경됨에 따라 원자의 위치도 변경됨을 알 수 있다. 이와 같이 원자의 위치가 변경된다는 것은 구조 적인 상전이 (Structural Phase Transition) 가 발생하였다는 것을 의미하며, 따라서 온도의 변화에 의해 구조적인 상전이가 발생한다는 것을 알 수 있다. 이 구조적인 상전이는 2차적인 현상이다.
도 9는 전류의 변화에 따른 물질의 구조적 변화를 알아보기 위하여 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 물질 바나듐이산화막(VO2)에 대한 급격한 금속-절연체 전이에서 관측된 분광학적 마이크로 라만산란 실험의 결과 데이터를 나타내 보인 그래프이다.
먼저 도 9의 (a)를 참조하면, 사파이어(Al2O3)(결정면은 1102) 기판 위의 바나듐이산화막(VO2)막의 경우, 참조부호 "900"으로 나타낸 피크 위치의 변화를 살펴보면, 바나듐이산화막(VO2)막에 흐르는 전류가 대략 18mA가 될 때까지 622cm-1 의 단사정계(Monoclinic) Ag 피크의 위치가 변하지 않고 18mA 이상에서 사라진다. 이것은 20mA 이하에서는 구조적 상전이가 발생하지 않는다는 것을 뜻한다. 16mA 이상에서 존재하는 피크들은 기판의 Al2O3 피크들이다. 그리고 대략 30mA의 전류보다 큰 전류가 흐르는 경우에 이르러서야 구조상전이의 발생을 의미하는 원자의 위치가 변경되고 넓은 정방정계(Tetragonal) 구조를 뜻하는 A1g 피크가 나타난다. 이것은 30mA 이상에서 구조적인 상전이가 발생한다는 것을 알 수 있다. 그런데 아래의 도 11을 참조하여 설명하겠지만, 바나듐이산화막(VO2)막에 흐르는 전류가 대략 5mA가 된다는 것은 이미 바나듐이산화막(VO2)막에서 정공 도핑에 의한 금속으로의 급격한 전이가 발생하였다는 것을 의미한다. 이것은 정공 도핑에 의한 금속으로의 급격한 전이에 의한 구조적 상전이는 발생하지 않는다는 것을 증명한다. 대략 30mA의 전류보다 큰 전류가 흐르는 경우에 구조적인 상전이가 발생되는 현상은, 바나듐이산화막(VO2)막에 흐르는 전류에 의해 발생한 열에 의해 일어나는 현상이며, 이는 정공 도핑에 의한 금속으로의 급격한 전이와 직접적인 관련이 없다. 결론적으로 정공 도핑에 의한 금속으로의 급격한 전이는 구조적인 상전이와 다르다.
다음에 도 9의 (b)를 참조하면, 바나듐이산화막(VO2)막에 흐르는 전류가 대략 100mA이 되는 경우, 원자의 위치가 변경되었는지에 대한 측정이 어려운데, 이는 많은 전류에 의해 라만 편이 피크들이 스크린되었기 때문이며, 이는 바나듐이산화막(VO2)막이 금속적인 특성을 나타낸다는 증거가 된다
도 10은 온도의 변화에 따른 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다. 도 10에서 가로축은 사파이어(Al2O3)(결정면은 1102) 기판 위의 바나듐이산화막(VO2)막의 양단에 인가되는 드레인-소스 전압(VDS)이고, 세로축은 바나듐이산화막(VO2)막의 양단에 흐르는 전류(I
DS) 및 전류밀도(JDS)이다. 그리고 바나듐이산화막(VO2)막의 양단 길이, 즉 채널 길이는 5㎛이다.
도 10을 참조하면, 구조적 상전이가 발생하는 온도인 대략 338K(65℃)의 온 도보다 낮은 온도에서 드레인-소스 전압(VDS)에서 금속으로의 급격한 전이가 일어난다. 특히 온도가 높아질수록 금속으로의 급격한 전이가 일어나는 드레인-소스 전압(VDS)이 낮아진다. 그리고 338K(65℃)의 온도보다 높은 온도에서는, 즉 이미 온도에 의한 구조적 상전이가 발생한 후에는 옴의 법칙(Ohm's law)을 만족시킨다. 결과적으로 급격한 금속으로의 전이는 구조적 상전이를 발생시키는 온도보다 낮은 온도에서 일어나며, 따라서 구조적 상전이와 급격한 금속-절연체 전이는 직접적인 관련성이 없다. 구조적 상전이는 금속-절연체 전이 이후 과전류에 의해 소자의 온도상승 때문에 일어난다. 이것은 금속-절연체 전이가 구조 상전이에 간접적으로 영향을 미친다는 것을 의미한다.
도 11은 도 3의 2단자망 회로에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다. 도 11에서 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용한 2단자 반도체소자로서 도 2의 평면형 구조의 반도체소자를 사용하였는데, 구체적으로 기판으로는 사파이어(Al2O3)막을 사용하였고, 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로는 바나듐이산화막(VO2)막을 사용하였고, 제1 전극 및 제2 전극으로는 금/크롬(Au/Cr)의 2층막을 사용하였고, 제1 전극 및 제2 전극 사이의 바나듐이산화막(VO2)막의 채널길이는 5㎛이다. 한편 저항소자는 1㏀의 저항값을 갖는다.
도 11을 참조하면, 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가되는 드레인-소스 전압(VDS)이 대략 22.5V까지는 절연체 상태(11A 참조)를 유지하지만, 그 이상이 되면 급 격히 금속으로의 전이가 발생하여 금속 상태(11B 참조)가 된다. 이는 대략 22.5V의 전압이 인가되면, 즉 일정 크기 이상의 전계가 바나듐이산화막(VO2)막의 양단에 인가되면 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 발생한다는 것을 의미한다. 이와 같이 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 발생하여 절연체 상태(11A)에서 금속 상태(11B)가 되면 바나듐이산화막(VO2)에는 전류가 흐르는데, 이때 흐르는 전류의 크기는 대략 15mA 이상이다.
도 12는 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질의 금속상의 히스테리시스 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 12를 참조하면, 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질의 양단에 인가되는 전계(EDS)를 변화시킴에 따라 전류밀도(JDS)의 변화를 측정한 결과, 급격한 금속-절연체 전이의 결과 나타나는 금속 상태에서의 히스테리시스(hysteresis) 특성, 즉 도면에서 화살표로 나타내는 순서(12A→12B→12C→12D)대로 전류밀도(JDS)가 변화하는 특성이 나타난다는 것을 알 수 있으며, 이는 전계 인가에 의해 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 발생한다는 것을 증명해주는 것이다.
도 13은 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질로서 바나듐이산화막를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 13을 참조하면, 도 1의 적층형 구조는 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 반도체 소자에 있어서, 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질 로서 바나듐이산화막(VO2)막을 사용한 경우, 바나듐이산화막(VO2)막의 상하부 양단에 일정 크기의 전압(VDS)을 인가한 결과, 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 일어나서 절연체 상태(13A)에서 금속 상태(13B)로 변화된다는 것을 알 수 있다.
도 14는 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 14를 참조하면, 갈륨비소(GaAs) 기판 위에 p 갈륨비소(p GaAs)막을 형성하고, p 갈륨비소(p GaAs)막 양단에 일정 크기의 전압(VDS)을 인가한 결과, 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 일어나서 절연체 상태(13A)에서 금속 상태(13B)로 변화되었다. 여기서 p 갈륨비소(p GaAs)는 2eV 이하의 서브 밴드를 갖고 정공 준위 내의 정공을 보유하고 있는 물질이며, 따라서 대략 30V의 전압 인가에 의해 정공 도핑에 의한 금속으로의 급격한 전이가 일어난다는 것을 알 수 있다. 급격한 금속-절연체 전이가 일어날 때 저농도의 정공은 n≒(0.2/aH)3 으로부터 n ≒0.001% ≒ 1 x 1014 cm-3 이다.
도 15는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다.
도 15를 참조하면, 갈륨비소(GaAs) 기판과 p 갈륨비소(p GaAs)막 사이에 알루미늄비소(AlAs) 버퍼막을 형성한 경우에는, 알루미늄비소(AlAs) 버퍼막이 없는 경우(도 14 참조)와 비교하여 다소 높은 전압을 인가했을 때 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 발생하여 절연체 상태(14A)에서 금속 상태(14B)로 변경된다는 것을 알 수 있다. 그러나 이와 같은 전압 차이는 매우 미세한 차이이다.
도 16은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소를 이용한 2단자 반도체 소자에서의 온도의 변화에 따른 전압-전류 특성을 나타내 보인 그래프이다. 여기서 p 갈륨비소(p GaAs)의 채널길이는 대략 10㎛이다.
도 16을 참조하면, 갈륨비소(GaAs) 기판 위에 p 갈륨비소(p GaAs)막을 형성한 경우에, 상대적으로 가장 낮은 온도인 300K에서, p 갈륨비소(p GaAs)막은 대략 80V의 전압에서 절연체 상태(16A1)에서 금속 상태(16B1)로의 급격한 전이가 일어난다. 상대적으로 다소 높은 온도인 330K에서, p 갈륨비소(p GaAs)막은 대략 55V의 전압에서 절연체 상태(16A2)에서 금속 상태(16B2)로의 급격한 전이가 일어난다. 그리고 상대적으로 가장 높은 온도인 350K에서, p 갈륨비소(p GaAs)막은 대략 53V의 전압에서 절연체 상태(16A3)에서 금속 상태(16B3)로의 급격한 전이가 일어난다. 이는 급격한 금속-절연체 전이 현상을 유발시키기 위해 인가되는 전압의 크기와 온도와의 상관관계를 보여주는 것으로서, 결과적으로 온도가 높을수록 급격한 금속-절연체 전이 현상을 유발시키기 위해 인가되는 전압의 크기는 낮으며, 일정 온도 이상에서는 급격한 금속-절연체 전이 현상을 유발시키기 위해 인가되는 전압의 크기 사이에 큰 차이가 없다는 것을 나타낸다.
도 17은 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질로서 p 갈륨비소의 금속상의 히스테리시스 특성을 나타내 보인 그래프이다. 여기서 p 갈륨비소(p GaAs)의 채널길 이는 대략 10㎛이다.
도 17을 참조하면, 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질의 양단에 인가되는 전압(VDS=채널길이 x EDS)를 변화시킴에 따라 전류밀도(JDS)의 변화를 측정한 결과, 급격한 금속-절연체 전이의 결과 나타나는 금속 상태에서의 히스테리시스(hysteresis) 특성, 즉 도면에서 화살표로 나타내는 순서(17A→17B→17C→17D)대로 전류밀도(JDS)가 변화하는 특성이 나타난다는 것을 알 수 있으며, 이는 p 갈륨비소(p GaAs)의 경우에도 전계 인가에 의해 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이가 발생한다는 것을 증명해주는 것이다.
도 18(a)는 갈륨비소의 전기전도도(σ)의 온도의존성이다. 이 데이터는 G. Gattow, G. Buss, Naturwissenschaften 56 (1) (1969) 35에서 인용되었다. 이것은 갈륨비소의 구조 상전이 온도를 보여주기 위해 여기서 제시한다. 도 18(b)는 저농도의 정공이 첨가된 p 갈륨비소의 저항의 온도의존성을 관측하여 보여준다. 저항은 전기전도도에 역비례한다.
구체적으로, 도 18(a)에서 약 1240℃에서 급격한 불연속 전기전도도를 보여주는데, 이것은 그 온도 이하의 단사정계(Monoclininc)에서 정방정계(Tetragonal)로 구조 상전이를 의미한다. 도 18(b)은 480K까지 관측된 저농도 5 x 1014 cm-3 의 정공이 첨가된 p 갈륨비소의 전기저항으로서 급격한 금속-절연체 전이를 보여주지 않고 있다. 그래서 상온에서 관측된 도 14, 도 15, 도 17 과 도 16의 300K, 330K, 350K에서 관측된 급격한 금속-절연체 전이는 구조 상전이 온도보다 훨씬 아래에 있 으므로, 갈륨비소에서 관측된 급격한 금속-절연체 전이는 구조상전이와 직접적으로 관계하지 않는다고 해석할 수 있다.
도 19는 급격한 금속-절연체 전이 물질로서 p 갈륨비소의 514.5nm의 Ar 이온 레이저로 측정된 광전류(Photocurrent) 특성을 나타내 보인 그래프이다. 여기서 p 갈륨비소(p GaAs)의 채널길이는 대략 10㎛이다.
도 19를 참조하면, 광전류 특성은 레이저 광을 쪼여주면서 측정한 전류-전압 특성(19A2)과 레이저 광을 쪼이지 않고 측정된 전류-전압 특성(19A1)의 차로 정의된다. 그 광전류 특성은 "19A3" 곡선으로 나타내 보여준다. "19A1" 곡선에서 급격한 금속-절연체 전이가 일어나는 곳인 27.5V 근처에서 두꺼운 화살표 이하 작은 전압 쪽으로 "19A2" 곡선과 "19A3" 곡선은 같이 중복되어 있다. 이것은 "19A1" 곡선의 값이 매우 작아서 "19A2" 곡선과 "19A1" 곡선의 차가 거의 "19A2" 곡선 값이 되었기 때문이다. "19A3" 곡선의 크기는 레이저 광을 가할 때 레이저 광에 의해 여기된 정공 캐리어(광전류 캐리어)가 발생되어 생기는 광전류의 크기와 거의 일치한다는 것을 의미한다. 따라서 이 큰 광전류를 이용하면 본 발명의 2단자 소자를 광전센서로 이용할 수 있다. 기존에 알려진 광전 센서는 광전류 효과를 크게 하기 위해 수십층의 박막층을 쌓아서 만든다. 그러나 본 2단자 소자를 이용하면 매우 간단해질 수 있다. 그리고 레이저 광을 RF(Radio Frequency)파로 대체하는 경우, 광전센서와 같은 2단자 소자는 RF 수신기로도 사용 될 수 있다. 한편 27.5V보다 큰 전압 쪽에서 광전류 특성 곡선(19A3)이 감소하는 것은 금속에서 광전도 특성이 일어나지 않기 때문이다. 이것이 급격한 금속-절연체 전이의 특성이다.
도 20은 급격한 금속-절연체 전이 물질로서 p 갈륨비소와 AlAs의 버퍼층을 사용하여 제조된 도2의 2단자 반도체 소자에 파장이 488nm인 아르곤 레이저를 그 소자에 입사시켜 소자에서 방출된 형광 (Photo-Luminescence: PL)의 세기와 파장의존성을 보여주는 스펙트럼이다.
도 20을 참조하면, 가는 선의 그래프는 제1전극과 제2전극에 걸어준 전기장이 0V에서 측정된 스펙트럼이고, 두꺼운 선의 그래프는 제1전극과 제2전극에 걸어준 전기장이 34V에서 측정된 스펙트럼이다. 34V 근처에서 급격한 금속-절연체 전이가 일어났다. "20A1" 피크는 860nm의 약 1.45 eV의 갈륨비소의 서브 에너지 갭 에 해당된다. 이것은 p 갈륨비소가 정공이 첨가된 2eV 이하의 에너지 갭을 갖는 반도체라는 것을 증명한다. 제1전극과 제2전극 사이에 34V의 전압이 인가되었을 때 서브 에너지 형광(PL)의 세기가 급격하게 줄어들었다. 그런데 "20A2"로서 어느 정도 피크가 남아 있는 것은 급격한 금속-절연체 전이를 일으키지 않는 상의 존재 때문이며, 이것은 물질이 급격한 금속-절연체 전이를 일으키는 상과 그렇지 못한 상이 서로 혼합되어 있는 것으로 해석된다. 전기장이 인가되어 급격한 금속-절연체 전이가 일어난 후 800nm부터 600nm까지 스펙트럼의 세기가 연속적으로 증가하였다. 600nm에서 단파장 쪽으로 스펙트럼 곡선이 급격히 줄어드는 것은 필터를 이용하여 그 이하를 제거하였기 때문이다. 스펙트럼 800nm 이하에서 형광의 세기가 증가하는 현상 "20A4"는 그 2단자 소자에서 발생된 발광으로 해석된다. 640nm 근처의 파장을 갖는 빛은 붉은 빛에 해당된다. 따라서 도 2의 2단자 소자는 LED(light emitting diode) 혹은 레이저 같은 발광용 소자로도 사용할 수 있다.
그리고 형광의 세기가 단파장 쪽으로 800에서 600nm로 연속적으로 증가하는 현상은 급격한 금속-절연체 전이에 의해 생긴 전자가 강한 전기장(E=V/dchannel
length=34V/5㎛=6.8 x 106 V/m) 속에서 가속되어 연속스펙트럼의 전자파를 내는 브람스트랑룽(Bremsstrahlung) 방사에 의한 발광으로 해석된다. 일종에 광을 내는 가속기와 같은 원리이다. 도2와 같은 2단자 소자는 가속 길이가 5㎛인 초소형 가속기로 간주될 수 있다.
도 21은 급격한 금속-절연체 전이 물질로서 p 갈륨비소를 사용하여 제조된 2단자 반도체 소자에 10㎂씩 전류를 흘리면서 전압을 관측한 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이다. 여기서 p 갈륨비소(p GaAs)의 채널길이는 대략 10㎛이다.
도 21를 참조하면, 처음 전류 10㎂를 흘리면 55V(21A)에서 측정되고 다시 전류를 10㎂ 씩 올리면 다시 전압은 불연속적으로 약 25V(21B)까지 감소하고 다시 전류를 올리면 옴(Ohm)의 법칙을 보이면서 전압은 증가한다. 이것은 측정된 전압 55V인 "21A"에서 25V인 "21B"까지 불연속적 감소가 급격한 금속-절연체 전이에 대응한다. 왜냐하면, 옴의 법칙을 보여주는 직선 "21C"가 금속특성이기 때문이다. 이와 같이 전류의 증가에 따라 측정된 전압이 감소하고 다시 증가하는 현상은 마이너스 저항 혹은 네가티브 저항(Negative resistance or Negative differential resistance)이라고 한다. p 갈륨비소와 같이 저 농도의 정공이 주입된 반도체에서 네가티브 특성이 관측되는 이것은 상변화 메모리의 특징이다. 그래서 p 갈륨비소가 비휘발성 메모리의 재료로 이용될 가능성이 있다는 것을 의미한다. 또한 저 농도의 정공이 첨가된 모든 반도체 물질은 이와 같은 네가티브 저항특성을 보인다.
도 22는 도 2의 2단자 반도체 소자의 전극 형상의 일예를 설명하기 위하여 나타내 보인 사시도이다.
도 22를 참조하면, 급격한 금속한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(300) 위에 제1 전극(241) 및 제2 전극(242)이 상호 대향하는 평면형 구조인 경우, 제1 전극(241) 및 제2 전극(242)을 핑거(finger)형으로 형성함에 따라 상호 대향하는 면의 길이가 길어지고, 그 결과 단위 면적당 흐르는 전류의 양도 증가된다. 비록 도면에서는 제1 전극(241)은 3개의 핑거를 갖도록 형성되고 제2 전극(242)은 2개의 핑거를 갖도록 형성되었지만, 그 개수는 더 많을 수도 있다는 것은 당연하다. 또한 핑거의 길이(a)와 제1 전극(241) 및 제2 전극(242) 사이의 수평거리(L) 또한 소망하는 소자의 특성에 따라 자유롭게 조절될 수 있다.
도 23은 도 1 및 도 2의 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 두께의 변화에 따른 길이 및 폭의 상관관계를 설명하기 위하여 나타내 보인 도면이다.
도 23을 참조하면, 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막(130 또는 230)의 폭(W), 길이(L), 두께(t) 및 면적(A)은 상호 적절한 크기를 가져야 한다. 즉 예컨대 상온에서 적어도 금속-절연체 전이가 일어났을 때, 전이가 일어나기 전과 후의 저항변화가 대략 104Ω이 되도록 하기 위해서는, 박막 두께가 100nm인 경우, 도면에서 점선으로 표시한 바와 같이, 대략 20㎛의 길이(L) 및 대략 3mm의 폭(W)을 가져야 한다. 이와 같이, 두께(t), 길이(L) 및 폭(W)을 상호 적절하게 조절함으로써 원 하는 저항변화를 유지시킬 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질을 이용한 2단자 반도체 소자 및 그 제조방법에 의하면, 구조적 상전이가 아닌 정공 도핑에 의한 급격한 금속-절연체 전이 반도체물질을 이용함으로써, 작은 면적에서 큰 전류 이득과 고속이 가능한 소자를 만들 수 있다는 효과가 제공된다. 이와 같은 소자는 임의의 특정온도에서 큰 전류를 이용하는 경보기, 온도센서, 스위칭소자, 정보기억소자, 전지의 보호회로, 상변화 메모리, 급격한 금속-절연체 전이와 강자성 박막을 이용한 자기 메모리, 광전센서, 초고속 광통신용 수신기, RF 검출기, 트랜지스터등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.
Claims (34)
- 제1 전극막;상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 유기 혹은 무기 물질막; 및상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 유기 혹은 무기 물질막 위에 배치되는 제2 전극막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 Si, Ge, Al, As, Sb, B, N, Ga, P, In, Te, Ag, Cd, Zn, Pb, S, Bi, K, H, Be, O 또는 C의 개별 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 화합물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 Y, Pr, Ba, Cu, La, Sr, Ti, V, Ca, Fe, W, Mo, Nb, Al, Hf, Ta, Zr, La, Bi, Pd, O 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형, Fe, S, Sm, Se, Te, Eu, Si, Mn, Co, B, H, Li, Ca, Y, Ru, Os, P, As, P, Ir,Ti, Zr, Hf, Mo, Te, Tc, Re, Rh, Pt, Yb, B, O 혹은 C 원소, 전이, 희토류 및 란탄계 원소 혹은 상기 원소들로 구성된 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은, 저농도의 정공이 첨가된 p형 반도체, 저농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 p형 무기물 화합물 반도체 또는 저 농도의 정공이 첨가된 p형 유기물 반도체 및 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제5항에 있어서,상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 반도체는, Si(100), Si(111), Si(110), Si:B, Si:P, Ge(100), SiC, SiGe, AlAs, InAlAs, AlSb, BN, GaAs, InGaAs, GaP, GaSb, GaxSb1-x (0≤x≤0.5), GexSb1-x (0≤x≤0.2), InN, InAs, InP, InSb, InxSb1-x (0≤x≤0.5), GeaInbSbcTed (0≤a≤0.2, 0≤b≤0.2, 0.5≤c≤1, 0≤d≤0.5), InxSbyTez (0≤x≤0.2, 0.5≤y≤1, 0≤z≤0.3), AgaInbSbcTed (0≤a≤0.2, 0≤b≤0.2, 0.5≤c≤1, 0≤d≤0.5), TeaGebSncAud (0.5≤a≤1, 0≤b≤0.2, 0.0≤c≤0.3, 0≤d≤0.5), AgSbTe2, AgInTe2, GeCdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, Grey Sn, Grey Se, Sb, Te, Sb1- xTex (0≤x≤0.5), B, DAC(Diamondlike Amorphous-C), TAC(Tetrahedral Amorphous-C):N, a-C;H(Amorphous hydrogenated carbon films, 또는 DLC(Diamond-Like Carbon), K4C60, K6C60, Ga-As-Si시스템, Ga-GaAs-Ge시스템, Ga- GaAs-Sn, Ga-As-Sn시스템, Ga-As-Zn시스템, Ga-P-Si시스템, Ga-P-Zn시스템, Ga-P-Ge시스템, GaP-Bi시스템, GeTe-Bi2Te3시스템, GeSb2Te4시스템, GaP:N, GaAs:Ca, GaAs:K, GaAs:Cl 또는 GeBi2Te4를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제5항에 있어서,상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 산화물 반도체는, Y1-xPrxBa2Cu 3O7-d (0≤x≤1), La2- xSrxCuO4 (0≤x≤1), La2- x BaxCuO4 (0≤x≤1), Ba1- xSrTiO3 (0≤x≤1), La1-xSrTiO3 (0≤x≤1), VO2, V2O3, CaxV 1- xO2 (0≤x≤1), AlxV1- xO2 (0≤x≤1), TixV1- xO2 (0≤x≤1), FexV1- xO2 (0≤x≤1), WxV1- xO2 (0≤x≤1), MoxV1- xO2 (0≤x≤1), Fe3O4, Nb2O5, WO3, Ti2O3, PdO, Al2O3, HfO2, SiO 2, Y2O3, Ta2O5, TiO2 또는 ZrO 2를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제5항에 있어서,상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 전이금속과 이 전이금속을 포함하는 반도체는, Fe1- xS (0≤x≤0.5), SmS, SmSe, SmTe, Eu3S4, FeSi 2, Fe1- xMnxSi2 (0≤x≤0.5), Fe1-xCoxSi2 (0≤x≤0.5), B:H(9%), B:H(11%), B:H(24%), LiAlB1 4, CuB4, CaB6, a-AlB12, YB66, SmB66, Mn11Si19, Mn26 Si45, Mn15Si26, Ru2Si3, Fe2 Si2, RuP2, RuPAs, RuAs2, OsP2, OsAs2, RhP2, RhAs2, IrP2, IrAs2 , RuP4, FeAs, RuAsS, OsPS, OsAsS, OsPSe, Ti1+xS2 (0≤x≤0.5), TiS3-x (0≤x≤0.5), Zr1+ x Se2 (0.01≤x≤0.1), Zr2S3, ZrSe3, HfSe2, MoS2, 2H-MoTe2-x (0.01≤x≤0.1), 2H-WSe2, MnTe, TcS 2, TcSe2, ReS2, ReSe2, FeS2, RuS2, RuSe2, RhS3, RhSe2, RhSe3 , IrS2, IrSe2, PtS, PtxS2 (0.9≤x≤1), SmTe, EuTe, YbSe, YbTe 또는 BC를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제5항에 있어서,상기 저농도의 정공이 첨가된 p형 유기물 반도체는, D+는 유기적 도너이고 A-는 유기적 억셉터인 D+A- 유형인 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제9항에 있어서,상기 D+A- 유형은, D+A- = TTF + Br, D+A - = BEDT-TTF 또는 D+A- = TMPD + TCNQ를 포함하되, 상기 TTF는 테트라티오풀발렌(tetrathiofulvalene)이고, 상기 EDT-TTF는 비스-에틸렌디티오-테트라티오풀발렌(bis-ethylenedithio-tetrathiofulvalene)이고, 상기 TMPD는 N,N,N'N'-테트라메틸-p-페닐렌디아민(N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine)이며, 상기 TCNQ는 유기테트라시아노-퀴노디메탄(tetracyano-p-quinodimethane)이며, 그리고 TCNQ는 정공주입에 의해 TCNQ-와 TCNQ사이에서 스위칭하는 활성성분인 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소 자.
- 제9항에 있어서,상기 p형 유기물 반도체는, 펜타센(pentacene)과 펜타센 유도체, 티오펜(thiophene)과 티오펜 올리고머(thiophene oligomer), 벤조디티오펜 다이머(benzodithiophene dimer), 프탈로사이아닌(phthalocyanine), 폴리(알킬티오펜)(Poly(alkyl-thiophene)), 폴리(3-헥실릴티오펜)(Poly(3-hexylyl-thiophene)), 폴리(3-옥틸티오펜)(Poly(3-octyl-thiophene)), 폴리(3-도데실티오펜) (Poly(3-dodecyl-thiophene)), 안티라디티오펜(anthradithiophene: ADT), 다이헥실-안티라디티오펜(dihexyl-ADT), 디도데실-안티라디티오펜(didodecyl-ADT), 디옥타데실-안티라디티오펜(dioctadecyl-ADT)을 포함하는 티오펜 유도체, 아로마틱 화합물(aromatic compound)을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막은 n 형이면서 매우 큰 저항을 갖는 반도체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극막 및 제2 전극막은, W, Mo, Au/Cr, Ti/W, Ti/Al/N, Ni/Cr, Al/Au, Pt, Cr/Mo/Au, YBa2Cu3O7-d 또는 Ni/Mo/Au을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극막 및 제2 전극막 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 기판;상기 기판 위에 배치된 제1 전극막;상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 및상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제15항에 있어서,상기 기판은, Si, SiO2, GaAs, Al3O4, 플라스틱, 유리, V2O 5, PrBa2Cu3O7, YBa2Cu3O7, MgO, SrTiO3, Nb가 도핑된 SrTiO3, 또는 절연막 위의 실리콘(SOI) 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제15항에 있어서,상기 기판과 제1 전극막 사이에 배치된 버퍼층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제17항에 있어서,상기 버퍼층은, SiO2 또는 Si3N4 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제15항에 있어서,상기 제1 전극막 및 제2 전극막 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 기판;상기 기판 위에 배치된 제1 전극막;상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막;상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막; 및상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 양 측면들 중 적어도 어느 한 측면상에 배치되는 게이트 절연막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 기판;상기 기판 위에 배치된 제1 전극막;상기 제1 전극막 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막;상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 제2 전극막; 및상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 양 측면들 중 적어도 어느 한 측면상에 배치되는 강자성체 박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 기판;상기 기판 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막; 및상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에서 상호 대향하면서 이격되도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제22항에 있어서,상기 기판과 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 사이에 배치된 버 퍼층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제22항에 있어서,상기 제1 전극막 및 제2 전극막 중 적어도 어느 한 곳에 연결되는 저항소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 제22항에 있어서,상기 제1 전극막 및 제2 전극막인 핑거 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자.
- 기판;상기 기판 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막;상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에서 상호 대향하면서 이격되도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막; 및상기 제1 전극막 및 제2 전극막 사이의 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 게이트 절연막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체.
- 기판;상기 기판 위에 배치되는 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막;상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에서 상호 대향하면서 이격되도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막; 및상기 제1 전극막 및 제2 전극막 사이의 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 배치되는 강자성체 박막을 구비하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체.
- 기판 위에 제1 전극막을 형성하는 단계;상기 제1 전극막 위에 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계; 및상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 제2 전극막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
- 제28항에 있어서,상기 제1 전극막 및 제2 전극막을 형성하는 단계는, 스퍼터링 방법을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
- 제28항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계는, 펄스레이 저 방법을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
- 제28항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계는, 분자빔 에피택시 방법을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
- 제28항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하기 전에 상기 기판 위에 버퍼층을 먼저 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
- 기판 위에 2eV 이하의 에너지 갭과 정공 준위내의 정공을 갖는 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하는 단계;상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막 위에 금속막을 형성하는 단계; 및상기 금속막을 패터닝하여 상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막의 일부 표면을 노출시키고, 상기 노출면을 사이에 두고 상호 대향하도록 배치되는 제1 전극막 및 제2 전극막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
- 제33항에 있어서,상기 급격한 금속-절연체 전이 반도체 물질막을 형성하기 전에 상기 기판 위에 버퍼층을 먼저 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 반도체 소자의 제조방법.
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