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문제 정의
- Nb는 순수한 Nb으로만 STJ 소자를 구성한 경우를 의미하며, 이때 에너지 갭은 1550µeV이다. STJ 40µm과 STJ 80µme 각각 I-V 특성곡선으로 에너지 갭을 측정한 소자이다. 제작된 두 STJ 소자 모두 순수한 Nb로만 STJ 소자를 제작한 경우보다 FWHM 에너지 분해능이 평균 11% 정도 더 우수하다.
- 이 논문은 차세대 영상소자로 주목받고 있는 STJ 소자의 제작 및 제작된 STJ 소자의 초전도상태에서의 성능검증을 목적으로 하고 있다. 다양한 크기의 STJ 소자의 특성을 비교분석하기 위해 한 변의 길이가 20, 40, 60, 80µm인 마름모 형태의 STJ 소자를 직접 설계, 제작, 실험하였다.
- 이 연구는 STJ 소자 제작 및 제작된 STJ 소자의 초전도 특성 조사를 주목적으로 하고 있다. 이 점을 고려하여 I-V 특성곡선 실험을 위한 I+, I-, V+, V- 단자를 연결할 수 있도록 하나의 STJ 소 자에 대하여 4개의 입출력 패드를 만들었다.
제안 방법
- 한변의 길이가 20, 40, 60, 80µm인 마름모 형태를 가지는 4종류의 소자를 4개씩 하나의 mask에 집적시켜 3 inch 실리콘 웨이퍼에 총 16개의 STJ 소자가 만들어지도록 설계하였다. 1차로 제작된 16개의 STJ 소자 중에서 현미경 확인 결과 특성이 우수할 것으로 판단된 40µm, 80µm 소자를 선택하여 I-V 특성곡선을 측정하였다. 측정 결과 두 개의 소자 모두 Nb의 임 계온도(9.
- 콜드 핑거는 I-V 특성곡선을 측정하는데 필요한 I+, I-, V+, V- 4개의 단자를 STJ와 연결할 수 있는 커넥터가 연결되어 있다. STJ의 전류 소스 및, 전류(I), 전압(V) 측정은 일본 NITSUKI사의 SIS 믹서(mixer)기를 사용하였고, 믹서와 콜드 핑거를 연결하였다. I-V 특성곡선는 SIS 믹서의 I, V 출력단을 통해 나오는 STJ의 전류, 전압을 오실로스코프에 연결하여 X-Y 모드로 출력하였다.
- 이 점을 고려하여 I-V 특성곡선 실험을 위한 I+, I-, V+, V- 단자를 연결할 수 있도록 하나의 STJ 소 자에 대하여 4개의 입출력 패드를 만들었다. 각 패드의 크기는 PCB와의 와이어 본딩 작업을 용이하 게 하기 위해 폭 0.5mm의 직사각형 형태로 설계하였다. STJ 소자는 그 형태에 따라 외부 자기장에 따른 임계 전류값이 변화한다(Gijsbertsen 1995).
- 이번 실험의 목적은 초전도 상태에서의 I-V 특성곡선를 측정하는데 있기 때문에 냉각장치로서 4K까지 냉각이 가능한 액체 헬륨을 사용하였다. 냉각 방법은 온도가 4K인 액체 헬륨 에 STJ 소자가 부착된 콜드 핑거(Cold Finger)를 직접 집어넣어 냉각하는 방식을 사용하였다. 콜드 핑거는 I-V 특성곡선을 측정하는데 필요한 I+, I-, V+, V- 4개의 단자를 STJ와 연결할 수 있는 커넥터가 연결되어 있다.
- 이 논문은 차세대 영상소자로 주목받고 있는 STJ 소자의 제작 및 제작된 STJ 소자의 초전도상태에서의 성능검증을 목적으로 하고 있다. 다양한 크기의 STJ 소자의 특성을 비교분석하기 위해 한 변의 길이가 20, 40, 60, 80µm인 마름모 형태의 STJ 소자를 직접 설계, 제작, 실험하였다. 2장에서는 STJ 소자 특징 및 원리를 3장에서는 제작과정을 기술하였다.
- STJ의 I-V 특성곡선 측정만을 고려하여 제작하였기 때문에 광자 검출실험을 위해 필요한 투명도가 높은 사파이어 웨이퍼를 사용할 필요가 없다. 따라서 웨이퍼는 사파이어가 아닌 가격이 저렴하고 제작이 용이한 실리콘으로 대체하여 제작하였다. 그림 3은 각 마스크의 해당 공정과 형태 그리고 제작 과정의 STJ 박막구조의 단면도를 정리한 것이다.
- 정사각형의 형태로 제작할 경우 외부 자기장(B)에 대해 1/B 그래프 형태로 임계 전류가 감소하고, 다이아몬드 형태인 경우에는 1/B2 그래프의 형태로 감소한다. 따라서 향후 광자검출실험에 대비하기 위한 FWHM 에너지 분해능의 이론적인 값을 계산하기 위해 외부 자기장으로 효율적인 조셉슨 전류 억제가 가능한 다이아몬드, 즉 마름모 형태로 STJ 소자를 설계하였다. STJ 소자 설계는 포토 마스크 설계에 일반적으로 많이 쓰이는 Tanner™ L-Edit 8.
- 이 연구에서 설계한 STJ 소자의 단면도. 박막의 보호와 절연을 위해 SiO2 절언충을 STJ 소자 접합에 형성시켰다. 위의 범례는 아래부터 차례대로 박막층이 형성되는 뚜께와 순서를 의미한다.
- STJ 소자 제작에는 반도체 제작에 일반적으로 사용되는 3가지(photolithography, DC magnetron sputtering, reactive ion etching) 공정이 적용되었다. 사진식각(Photolithography) 기술은 웨이퍼 위에 직접 STJ 소자의 회로패턴을 그리는 공정과, STJ 소자 보관시 박막 보호용 코팅을 위해 사용되었고, DC 마그네트론 스퍼터링 기술은 박막을 직접 실리콘 웨이퍼 위에 입히는 데 사용하였다. 설계상 박막을 제거해야 하는 부분의 작업을 위해 RIE(Reactive Ion Etching) 기술을 이용하였다.
- 3K) 이하인 4K에서 초전도 현상을 확인하였다. 에너지 갭(energy gap), normal resistance, normal resistivity, dynamic resistance, dynamic resistivity, critical current, quality factor 값을 I-V 특성곡선 측정을 통해 얻을 수 있었고 energy gap으로부터 FWHM 에너지 분해능을 구하였다
- 이 연구는 STJ 소자 제작 및 제작된 STJ 소자의 초전도 특성 조사를 주목적으로 하고 있다. 이 점을 고려하여 I-V 특성곡선 실험을 위한 I+, I-, V+, V- 단자를 연결할 수 있도록 하나의 STJ 소 자에 대하여 4개의 입출력 패드를 만들었다. 각 패드의 크기는 PCB와의 와이어 본딩 작업을 용이하 게 하기 위해 폭 0.
- 제작된 4종류의 STJ 소자를 크기별로 3개씩 12개 STJ 소자의 I-V 특성곡선을 측정하였다. 그 중 10개의 STJ 소자에서 초전도 현상을 확인할 수 있었고 각 소자 크기별로 Quality factor가 우수 하고 I-V 특성곡선이 우수한 STJ 소자의 I-V 특성곡선으로부터 측정된 파라미터들을 표 4에 정리 하였다.
- 차세대 영상소자로 주목받고 있는 Superconducting Tunnel Junction(STJ)을 직접 설계, 제작하고 그 특성을 테스트하였다. 한변의 길이가 20, 40, 60, 80µm인 마름모 형태를 가지는 4종류의 소자를 4개씩 하나의 mask에 집적시켜 3 inch 실리콘 웨이퍼에 총 16개의 STJ 소자가 만들어지도록 설계하였다.
- 4장에서는 제작된 STJ의 작동여부를 파악하기 위한 실험과정을 기술하였다. 초전도체로서의 특성을 확인하기 위해 I-V 특성곡선을 측정하였고 이 자료를 바탕으로 energy gap, normal resistance, dynamic resistance, FWHM 에너지 분해능을 계산하였다. 5장에서는 결과에 대한 토의 및 결론을 기술하였다.
- 차세대 영상소자로 주목받고 있는 Superconducting Tunnel Junction(STJ)을 직접 설계, 제작하고 그 특성을 테스트하였다. 한변의 길이가 20, 40, 60, 80µm인 마름모 형태를 가지는 4종류의 소자를 4개씩 하나의 mask에 집적시켜 3 inch 실리콘 웨이퍼에 총 16개의 STJ 소자가 만들어지도록 설계하였다. 1차로 제작된 16개의 STJ 소자 중에서 현미경 확인 결과 특성이 우수할 것으로 판단된 40µm, 80µm 소자를 선택하여 I-V 특성곡선을 측정하였다.
대상 데이터
- STJ 소자는 2004년 10월 7일부터 13일까지 한국표준과학연구원 생체자기연구실 부속 SQUID 실험실에서 제작하였다. 그림 2는 STJ 소자의 단면도이다.
- SiO2 절연층의 두께는 1단계 스퍼터링 공정과 마 찬가지로 PECVD 장비의 출력과 박막 형성 시간에 의해 결정된다. 이 연구에 사용된 표준연 PECVD 장비의 SiO2 절연층 생성률은 llmin/2750Å이다.
- 3K이다. 이번 실험의 목적은 초전도 상태에서의 I-V 특성곡선를 측정하는데 있기 때문에 냉각장치로서 4K까지 냉각이 가능한 액체 헬륨을 사용하였다. 냉각 방법은 온도가 4K인 액체 헬륨 에 STJ 소자가 부착된 콜드 핑거(Cold Finger)를 직접 집어넣어 냉각하는 방식을 사용하였다.
이론/모형
- 사진식각(Photolithography) 기술은 웨이퍼 위에 직접 STJ 소자의 회로패턴을 그리는 공정과, STJ 소자 보관시 박막 보호용 코팅을 위해 사용되었고, DC 마그네트론 스퍼터링 기술은 박막을 직접 실리콘 웨이퍼 위에 입히는 데 사용하였다. 설계상 박막을 제거해야 하는 부분의 작업을 위해 RIE(Reactive Ion Etching) 기술을 이용하였다. STJ 소자의 제작 순서는 그림 3의 순서대로 진행되었으며 그림 4는 각 공정의 진행과정별 STJ 실물 사진이다.
성능/효과
- 80µm 소자는 40µm 소자에 비해 초전도 상태에서 터널링이 많이 일어나기 때문에 STJ 소자를 이용하여 광자 검출 실험을 할 때에는 소자의 크기가 클수록 조셉슨 전류를 억제하기 위해서는 좀 더 센 자기장을 걸어주어야 한다는 사실을 확인할 수 있었다. STJ 소자의 크기가 클수록 에너지 갭과 dynamic resistance7} 감소하는 경향을 보이고 있다.
- FWHM 에너지 분해능 값을 계산한 결과, 에너지 분해능을 향상시키기 위해서는 초전도체의 에너지 갭을 낮추는 것이 필수적이라는 사실을 확인하였고, 10nm 두께의 A1 박막에서 확인하였듯이 초전도체와 절연체 사이에 energy gap이 낮은 물질의 박막을 추가하는 것도 에너지 분해능을 향상시키는 좋은 방법이라는 사실을 알 수 있었다.
- 설계시 A1 박막층은 절연층인 AI2O3층을 성장시키기 위해 10nm 정도 박막을 입힌 것이었지만, 전체 STJ 소자의 응답률에 영향을 준 것을 확인할 수 있다. STJ 소자의 크기에 따른 에너지 분해능의 차이를 살펴보면 80µm 소자가 40µm 소자에 비해 FWHM 에너지 분해능이 최대 2% 정도 우수하다. 따라서 에너지 분해능을 향상시키기 위해서는 STJ 소자의 크기를 키우는 것보다는 에너지 갭 이 낮은 초전도 물질을 사용하거나, 초전도체 박막과 절연체 박막 사이에 A1과 같이 낮은 에너지 갭을 가지는 또다른 초전도체의 박막(두께 10nm 정도)을 더해주는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단된다.
- STJ 소자의 크기에 따른 에너지 분해능의 차이를 살펴보면 80µm 소자가 40µm 소자에 비해 FWHM 에너지 분해능이 최대 2% 정도 우수하다. 따라서 에너지 분해능을 향상시키기 위해서는 STJ 소자의 크기를 키우는 것보다는 에너지 갭 이 낮은 초전도 물질을 사용하거나, 초전도체 박막과 절연체 박막 사이에 A1과 같이 낮은 에너지 갭을 가지는 또다른 초전도체의 박막(두께 10nm 정도)을 더해주는 것이 더욱 효과적일 것으로 판단된다.
- STJ 40µm과 STJ 80µme 각각 I-V 특성곡선으로 에너지 갭을 측정한 소자이다. 제작된 두 STJ 소자 모두 순수한 Nb로만 STJ 소자를 제작한 경우보다 FWHM 에너지 분해능이 평균 11% 정도 더 우수하다. 이는 실제 제작된 STJ 소자는 에너지 갭이 Nb에 비해 10배 이상 작은 10nm 두께의 A1 박막이 STJ 소자에 포함되어있기 때문이다.
- 80µm 소자의 I-V 특성곡선. 측정 가능영역이 SIS Mixer의 출력에 의해 제한 받아 normal resistance를 측정할 수 없었고, 터널링 현상을 보이고 있다.
- 1차로 제작된 16개의 STJ 소자 중에서 현미경 확인 결과 특성이 우수할 것으로 판단된 40µm, 80µm 소자를 선택하여 I-V 특성곡선을 측정하였다. 측정 결과 두 개의 소자 모두 Nb의 임 계온도(9.3K) 이하인 4K에서 초전도 현상을 확인하였다. 에너지 갭(energy gap), normal resistance, normal resistivity, dynamic resistance, dynamic resistivity, critical current, quality factor 값을 I-V 특성곡선 측정을 통해 얻을 수 있었고 energy gap으로부터 FWHM 에너지 분해능을 구하였다
후속연구
- 이후에는 STJ 소자의 크기에 따른 특성변화를 좀 더 자세히 분석하고, 광자 검출 실험에 대비해 사파이어 웨이퍼에서의 STJ 소자 제작기술과 조셉슨 전류를 억제하기 위해 냉각기 내에 자기장을 걸어주는 방법, 그리고 ADR(Adiabatic Demagnetization Refrigerator)과 같이 lOOmK까지 냉각이 가능한 냉각기에 대한 연구를 계속 진행할 예정이다.
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