KR100825738B1 - 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템 - Google Patents
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Abstract
다양한 제너 전압을 조절할 수 있고, 제조공정이 간단한 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템을 제공한다. 그 시스템은 입력전원과 직렬로 연결된 직렬저항 Rc과 직렬로 연결되며, 직렬저항 Rc의 저항값에 따라 출력전압을 일정하게 유지하는 전압조정 구간의 폭이 달라지는 급격한 금속-절연체 전이를 하는 MIT 절연체를 포함한다.
급격한 금속-절연체 전이, 직렬저항, 전압조정
Description
도 1은 종래의 전압조정을 위한 제너 다이오드(Zener diode)의 전압-전류를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 적용된 MIT 절연체의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프로써, MIT 절연체는 AlxTiyO를 사용하였다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전압조정 시스템을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 전압조정 시스템에서 직렬저항 Rc의 저항값을 일정하게 유지한 상태에서 입력전압 Vi에 따른 출력전압 Vo의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 전압조정 시스템에서 직렬저항 Rc의 저항값을 변화시키면서 입력전압 Vi에 따른 출력전압 Vo의 관계를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110; 입력전원 120; MIT 소자
Rc; 직렬저항 RL; 전기적인 시스템
본 발명은 전압조정 시스템에 관한 것으로, 특히 급격한 금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT)를 이용한 전압조정 시스템에 관한 것이다.
최근, 전압이 인가됨에 따라 저항의 변화가 발생하는 절연체에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 급격하게 절연체에서 금속으로 전이가 발생하는 절연체(이하, MIT 절연체)에 관한 현상이 완전하게 규명되었다. 통상적으로 MIT 절연체는 구조변화를 동반한다고 알려졌으나, VO2에 전계를 변화시켰을 때 구조변화를 일으키지 않고 MIT가 발생하는 것이 Hyun-Tak Kim 등에 의해 New Journal of Physics Volume 6 p 52에 제시되어 있다. 금속-절연체 전이에 의해 저항이 변화하는 MIT 절연체를 이용하여 여러 가지 소자로 활용될 수 있다. 예컨대, MIT 절연체는 고전계로부터 소자를 보호하기 위한 전압조정용 보호회로로 활용할 수 있다.
도 1은 종래의 전압조정을 위한 제너 다이오드(Zener diode)의 전압-전류를 나타낸 그래프이다. 종래의 제너 다이오드는 일반적으로 예컨대 실리콘 반도체에 도펀트를 도핑시켜 형성한다.
도 1에 의하면, 제너 다이오드는 역방향으로 전압을 증가시켰을 때, 제너 전압 Vz에서 전류가 급격히 증가하여 전압을 일정하게 유지시킨다. 제너 다이오드는 파괴전계(Breakdown field)를 이용한 것으로 제너 전압 Vz에서 전하운반자(carrier) 가 급격히 생성되어 나타나는 현상이다. 제너 다이오드는 일정한 전압을 유지시켜 소자를 보호하는 역할을 한다. 하지만, 이러한 제너 다이오드는 적용하고자 하는 소자의 제너 전압 Vz을 다양하게 결정하기 어렵다.
제너 전압을 다양하게 결정하기 위하여, Richard. P. Kingsborough 등이 미국공개특허 US2004/0051096A1에 새로운 제너 다이오드를 보고하였다. 상기 특허는 실리콘 대신 유기물 반도체를 이용하여 제너 다이오드를 구성한 것으로, 여러 유기물질과 다양한 무기물 전극과의 결합으로 제너 다이오드를 제조하였다. 상기 특허에 의하면 유기물을 포함한 물질층 및 전극의 다양한 조합으로 제너 전압 Vz을 조절할 수 있다. 하지만, 상기 제너 다이오드는 유기물 반도체에만 국한되고, 유기물과 무기물의 혼합으로 인한 스트레스 문제가 유발될 수 있으며, 복잡한 물질층의 조합으로 제너 전압 Vz을 조절해야 하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다양한 제너 전압을 조절할 수 있고, 제조공정이 간단한 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 전압조정 시스템은 입력전원과, 상기 입력전원과 직렬로 연결된 직렬저항 Rc를 포함한다. 상기 직렬저항 Rc 과 직렬로 연결되며, 상기 직렬저항 Rc의 저항값에 따라 출력전압을 일정하게 유지하는 전압조정 구간의 폭이 달라지는 급격한 금속-절연체 전이를 하는 MIT 절연체를 포함한다. 상기 MIT 절연체의 일측에 배치되며, 상기 입력전원과 연결되는 제1 전극 및 상기 MIT 절연체의 타측에 배치되며, 상기 직렬저항 Rc과 연결되는 제2 전극을 포함한다.
상기 직렬저항 Rc은 상기 MIT 절연체가 금속상태로 전이한 후, 상기 금속상태의 저항보다 크거나 동일한 저항값을 가질 수 있다. 상기 직렬저항 Rc의 저항값이 커질수록 상기 전압조정 구간의 폭은 넓어질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 실시예 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
이하에서 설명될 본 발명의 실시예에서는 일정한 전압을 유지시켜 전압을 조정하는 전압조정 시스템을 제공한다. 본 발명의 전압조정 시스템은 절연체(혹은 반도체)에서 금속으로의 전이가 발생하면서 전압조정 특성을 갖는 MIT 절연체를 이용한다. 이때, MIT 절연체는 저항이 전계에 따라 변화하는 특성을 갖는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 적용된 MIT 절연체의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프로써, MIT 절연체는 AlxTiyO를 사용하였다.
도 2를 참조하면, MIT 절연체는 절연체(a)에서 금속상태(c)로 불연속적으로 전이하는 특성을 보이고 있다. 즉, MIT 절연체는 절연체(a)로부터 금속상태(c)로 급격하게 전기적 특성이 변화되는 임계전압(critical voltage, Vb)을 갖는다. 구체적으로, 양단에 입력되는 전압이 0V에서 임계전압 Vb까지는 거의 전류가 흐르지 않는 절연체(a)이며, 임계전압 Vb보다 큰 전압에서는 금속상태(c)이다. 즉, 임계전압 Vb에서 전류의 불연속 점프가 일어난다. 이때, 금속상태(c)는 상대적으로 다량의 전자를 포함하고 있으며, 전류가 전압에 대하여 선형적으로 증가하는 거동, 즉 일정한 저항값을 갖는다. 불연속 점프를 하는 MIT 절연체와 별도의 저항(도 3의 Rc)을 직렬로 연결하면 이후에 설명될 전압조정의 특성을 나타낸다.
본 발명의 MIT 절연체는 인가된 전계를 제거하고, OV부터 전압을 다시 인가하여도 동일한 금속-절연체 전이를 반복하는 재현성을 갖는다. 종래의 제너 다이오드는 파괴전압을 이용하기 때문에, 본 발명과 같은 재현성을 나타내지 않는다. 한편, 임계전압 Vb은 MIT 절연체를 포함하는 소자의 구조 및 사용된 물질층 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
MIT 절연체는 예컨대, 산소, 탄소, 반도체 원소(III-V족, II-VI족), 전이금속원소, 희토류원소, 란탄계 원소들을 포함하는 저 농도의 정공이 첨가된 무기물 화합물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 유기물 반도체 및 절연체, 저 농도의 정공이 첨가된 반도체, 및 저 농도의 정공이 첨가된 산화물 반도체 및 절연체 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 금속상태(c)에서의 다양한 저항값을 갖는 MIT 절연체는 바람직하게는 각각 AlxTiyO, ZnxTiyO, ZrxTiyO, TaxTiyO, VxTiyO, LaxTiyO, BaxTiyO, SrxTiyO 과 같이 Ti이 함유된 산화막, Al2O3, VO2, ZrO2, ZnO, HfO2, Ta2O5, La2O3, NiO, MgO 와 같은 산화막 및 GaAS, GaSb, InP, InAs, GST(GeSbTe)의 화합물, Si, Ge과 같은 반도체 중의 적어도 하나일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 전압조정 시스템(100)을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전압조정 시스템(100)은 입력전원(110), MIT 소자(120) 및 직렬저항 Rc이 직렬로 연결된 구조이다. 이때, 전압조정 시스템(100)은 상기 시스템(100)과 병렬로 연결된 전기적인 시스템 RL을 더 포함할 수 있다. 전기적인 시스템 RL은 전압조정 시스템(100)에 의해 조정된 전압이 인가된다.
MIT 소자(120)는 이후에 설명되겠지만 직렬저항 Rc의 저항값에 따라 출력전압(MIT 소자전압이라고도 함)을 일정하게 유지하는 전압조정 구간의 폭이 달라진다. MIT 소자(120)는 급격한 금속-절연체 전이를 하는 MIT 절연체(122)와, MIT 절연체(122)의 일측에 배치되며, 입력전원(110)과 직렬로 연결되는 제1 전극(124) 및 MIT 절연체(122)의 타측에 배치되며, 직렬저항 Rc과 직렬로 연결되는 제2 전극(126)을 포함한다.
제1 전극(124) 및 제2 전극(126)은 Li, Be, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Pb, Bi, Po, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, Np, Pu의 금속, 상기 금속들의 화합물 또는 상기 금속 및 상기 화합물을 포함하는 산화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. MIT 소자(120)는 금속으로 전이되어 흐르는 전류의 방향이 MIT 절연체(122)에 수직한 방향이다. 상세하게는 설명되지 않았지만, 상기 전류의 방향이 MIT 절연체(122)에 수평한 MIT 소자에도 본 발명이 적용될 수 있다.
MIT 소자(120)를 이루는 각각의 층들을 형성하는 방법은 제한이 없으나, Sputtering, MBE(Molecular Beam Epitaxy), E-beam evaporation, Thermal evaporation, ALE(Atomic Layer Epitaxy), PLD(Pulsed Laser Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), Sol-Gel법 및 ALD(Atomic Layer Deposition)으로 제조할 수 있다. 한편, 본 발명의 MIT 절연체(122)의 저항은 MIT 절연체(122)의 종류, MIT 소자의 구조에 따라 바뀌게 된다. 구체적으로 MIT 소자(120)를 직렬저항 Rc과 연결하면 전압조정 특성을 관찰할 수 있는 데, 직렬저항 Rc의 저항값은 수 Ω에서 수 KΩ까지 변화시킬 수 있으며, 직렬저항 Rc의 저항값에 따라서 MIT 소자(120)의 전압조정 능력이 달라지게 된다. 이에 대해서는, 이후에 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 전압조정 시스템에 적용되는 MIT 전이는 대부분 절연체와 반도체에 나타나는 현상이므로, 스트레스 문제만 없다면 어떠한 기판에서도 MIT 절연체를 증착하여 전압조정 특성을 구현할 수 있다. 또한, 공정온도도 상온에서부터 900℃ 정도의 넓은 범위로 설정할 수 있다. 그리고, MIT 절연체를 하나의 층으로 하여 전압조정 시스템을 구성할 수 있으므로, 이를 제조하는 공정이 간단하다.
도 4는 본 발명의 전압조정 시스템에서 직렬저항 Rc의 저항값을 일정하게 유지한 상태에서 입력전압 Vi에 따른 출력전압 Vo의 관계를 나타낸 그래프이다. 이때, MIT 절연체는 플라즈마 방식의 ALD 증착법으로 형성한 AlxTiyO 박막이다. 직렬저항 Rc의 저항값은 AlxTiyO 박막의 금속상태의 저항값보다 상대적으로 큰 저항값을 갖도록 하였다.
도시된 바와 같이, 입력전압 Vi의 변화에 따라 출력전압 Vo은 전이(transient) 출력전압 Vo(t)를 거쳐 일정한 포화 출력전압 Vo(s)를 보인다. 또한, 입력전압 Vi이 전압조정 구간이 다다를 때까지 출력전압 Vo은 입력전압 Vi과 비례하여 증가한다. 출력전압 Vo은 도 3의 MIT 소자(120)에서 나오는 전압으로, 입력전압 Vi이 포화 입력전압 Vi(s)보다 증가하더라도 일정한 전압인 포화 출력전압 Vo(s)을 유지한다. 즉, 입력전압 Vi가 포화 입력전압 Vi(s)보다 커지면, MIT 소자(120)에는 일정한 전압이 가해지고 나머지 전압은 직렬저항 Rc에 인가된다. 이에 따라, 본 발명의 전압조정 시스템은 MIT 소자(120)에 의해 입력전압 Vi의 증가에도 일정한 전압 을 유지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 전압조정 시스템에서 직렬저항 Rc의 저항값을 변화시키면서 입력전압 Vi에 따른 출력전압 Vo의 관계를 나타낸 그래프이다. 이때, MIT 절연체는 플라즈마 방식의 ALD 증착법으로 형성한 AlxTiyO 박막이다. 직렬저항 Rc의 저항값은 수 Ω에서 수 KΩ까지 변화시켰다. ○, △ 및 □는 각각 직렬저항 Rc의 저항값이 R1, R2 및 R3일 때 입력전압 Vi과 출력전압 Vo의 관계를 나타낸 것이다. 이때, Rc의 저항값의 크기는 R1<R2<R3이다. 또한, R1은 MIT 절연체, 예컨대 AlxTiyO 박막이 금속상태로 전이되었을 때의 저항과 유사한 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 출력전압 Vo은 상대적으로 낮은 저항값 R1을 연결했을 경우 보다 큰 저항값 R3을 연결하였을 때의 전압조정의 범위가 확대되었다. 구체적으로, 저항 R1은 약 Vi(1)~Vi(3), 저항 R2는 약 Vi(1)~Vi(4) 그리고 저항 R3는 약 Vi(2)에서 Vi(4) 이상까지의 전압조정 범위를 보이고 있다. 하지만, 직렬저항 Rc의 저항값이 변하여도 전압이 조정되는 출력전압은 거의 Vo(S)를 유지하고 있었다. 본 발명의 전압조정 시스템은 종래의 실리콘이나 유기물반도체의 제너 다이오드에 비하여 전압조정 범위를 쉽게 조절할 수 있으며, 제너 전압에 해당하는 문턱전압의 조절도 MIT 절연체(혹은 반도체)의 종류를 변화하여 용이하게 조절할 수 있다. 또한, 종래의 제너 다이오드는 파괴전계에 의한 것이므로 조절되는 전압의 크기에 제약이 있 지만, 본 발명의 전압조정 시스템은 절연체로부터 금속으로의 전이를 이용하므로, 높은 전압에서도 전압조정을 할 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 본 발명에 따른 전압조정 시스템은 절연체(혹은 반도체)에서 금속으로의 전이를 이용함으로써, 다양한 MIT 절연체를 적용할 수 있다. 또한, MIT 절연체의 조성을 변화시키거나 저항값을 바꾸면서 전압조정을 위한 전압 및 전압조정 구간을 용이하게 조절할 수 있다. 나아가, 상기 전압조정 시스템은 파괴전계와는 다른 금속으로의 전이가 발생하므로 높은 전압에서도 전압조정을 할 수 있다. 그리고, 재현성과 안정성이 우수하여 장시간 동안 안정된 동작이 가능하며, 기판 종류에 거의 무관하게 사용되어 기판 선택의 폭이 넓어진다.
Claims (14)
- 입력전원;상기 입력전원과 직렬로 연결된 직렬저항 Rc;상기 직렬저항 Rc과 직렬로 연결되며, 상기 직렬저항 Rc의 저항값에 따라 출력전압을 일정하게 유지하는 전압조정 구간의 폭이 달라지는 급격한 금속-절연체 전이를 하는 MIT 절연체;상기 MIT 절연체의 일측에 배치되며, 상기 입력전원과 연결되는 제1 전극; 및상기 MIT 절연체의 타측에 배치되며, 상기 직렬저항 Rc과 연결되는 제2 전극을 포함하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 직렬저항 Rc은 상기 MIT 절연체가 금속상태로 전이한 후, 상기 금속상태의 저항보다 크거나 동일한 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 직렬저항 Rc의 저항값이 커질수록 상기 전압조정 구간의 폭은 넓어지는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 입력전원의 입력전압이 상기 전압조정 구간에 다다를 때까지 상기 출력전압은 상기 입력전압과 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 입력전원의 입력전압이 상기 전압조정 구간을 지나면 상기 출력전압은 상기 입력전압과 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 MIT 절연체는 절연체에서 금속상태로 불연속적으로 전이하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 MIT 절연체는 저농도의 정공이 첨가된 무기물 반도체, 무기물 절연체, 유기물 반도체 및 유기물 절연체 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 MIT 절연체는 AlxTiyO, ZnxTiyO, ZrxTiyO, TaxTiyO, VxTiyO, LaxTiyO, BaxTiyO, SrxTiyO, Al2O3, VO2, ZrO2, ZnO, HfO2, Ta2O5, La2O3, NiO, MgO, GaAS, GaSb, InP, InAs, GST(GeSbTe), Si 및 Ge 중에 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 Li, Be, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Pb, Bi, Po, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, U, Np, Pu의 금속, 상기 금속들의 화합물 또는 상기 금속 및 상기 화합물을 포함하는 산화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 전압조정 시스템은 상기 시스템과 병렬로 연결된 전기적인 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 전기적인 시스템은 상기 MIT 절연체에 의해 조정된 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 MIT 절연체는, 산소, 탄소, 반도체 원소(Ⅲ-Ⅴ족,Ⅱ-Ⅳ족), 전이금속 원소, 희토류 원소, 및 란탄계 원소 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 급격한 금속-절연체 전이를 이용한 전압조정 시스템.
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