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문제 정의
- 본 논문에서는 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition: 이하 PLD) 기법으로 성장된 고저항성 VO2 박막을 기반으로 하는 2단자 평면형 소자에서, 이산화탄소(CO2) 레이저를 사용하여 양방향 전류 스위칭을 구현하고자 한다. 이산화탄소 레이저에서 출력된 빔은 빔 집속(beam focusing) 장비를 통해 집속시켜 직접 박막 표면에 조사시켰다.
제안 방법
- 23W와 100ms를 유지시켰다. 그리고 레이저 펄스는 네 종류의 반복률 0.1, 0.5, 1.0, 2.0Hz로 변조시켰다. 그림 5 (a), 5 (b), 5 (c), 5 (d)는 그림 4에서 사용한 회로와 동일한 회로(RE=100Ω, VS=∼4.
- 6μm의 이산화탄소 레이저를 사용하여 VO2의 광-열 유도 상전이를 통해 고저항성 VO2 박막 기반 2단자 평면형 소자에서 양방향 전류 스위칭을 구현하였다. 그리고 안정적인 스위칭동작을 위한 바이어스 전압 범위를 전류 제어 모드로 측정된 VO2 소자의 전류-전압 특성을 통하여 도출하였다. 도출된 바이어스 전압 범위를 고려하여 VO2 소자에 ∼4.
- 이산화탄소 레이저에서 출력된 빔은 빔 집속(beam focusing) 장비를 통해 집속시켜 직접 박막 표면에 조사시켰다. 그리고 양방향 스위칭이 가능한 바이어스(bias) 전압 범위를 제작된 VO2 박막 기반 소자의 전류-전압 특성으로부터 도출하였다. 다음으로 이산화탄소 레이저의 펄스폭(pulse width)과 반복률(repetition rate)을 다양하게 변화시켜 가면서 이에 따른 양방향 스위칭되는 소자 전류의 과도 응답(transient response) 변화를 조사하였다.
- 그리고 양방향 스위칭이 가능한 바이어스(bias) 전압 범위를 제작된 VO2 박막 기반 소자의 전류-전압 특성으로부터 도출하였다. 다음으로 이산화탄소 레이저의 펄스폭(pulse width)과 반복률(repetition rate)을 다양하게 변화시켜 가면서 이에 따른 양방향 스위칭되는 소자 전류의 과도 응답(transient response) 변화를 조사하였다. 과도 응답 측정 결과, 바이어스 전압이 ∼4.
- 도출된 바이어스 전압 범위를 고려하여 VO2 소자에 ∼4.6V의 바이어스 전압을 인가하고, ∼6.23W의 출력 첨두 파워를 갖는 레이저 펄스를 박막에 조사함으로써, 최대 10mA까지 양방향 전류 스위칭을 구현하였으며 ∼3333의 스위칭 대조비를 얻을 수 있었다.
- 또한 상기 최소 EPP를 고려하여 펄스폭을 100ms로 고정시키고, 다양한 레이저 펄스 반복률(0.1-2.0Hz)에 대해 양방향 전류 스위칭을 구현해보았으며, 스위칭 시 전류의 상승 시간과 하강 시간은 각각 ∼39 및 ∼21ms로 측정되었다.
- 마지막으로 레이저의 최소 EPP를 만족시킨 상태에서 레이저 펄스 반복률에 따른 양방향 전류 스위칭 동작의 과도 응답 변화를 조사하였다. 상기 최소 EPP를 만족시키기 위해 평면-볼록 렌즈에서 출력되는 레이저 펄스의 파워와 펄스폭은 각각 ∼6.
- 본 논문에서는 중심 파장 10.6μm의 이산화탄소 레이저를 사용하여 VO2의 광-열 유도 상전이를 통해 고저항성 VO2 박막 기반 2단자 평면형 소자에서 양방향 전류 스위칭을 구현하였다.
- 본 실험에서는 과도한 레이저출력 파워로 인해 박막이 손상되는 것을 방지하기 위하여 듀티 비율을 11%로 설정함으로써 레이저의 출력 파워를 ∼7.21W로 제한하였다.
- 상기 최소 EPP를 만족시키기 위해 평면-볼록 렌즈에서 출력되는 레이저 펄스의 파워와 펄스폭은 각각 ∼6.23W와 100ms를 유지시켰다.
- VO2소자는 직류 바이어스 VS를 인가하기 위한 소스미터와 일반 저항에 직렬로 연결하였다. 소자에 흐르는 전류는 오실로스코프(Tektronix TDS2022C)를 이용하여 저항에 걸리는 전압을 측정함으로써 시간적인 변화를 관측하였다. 그리고 소자의 전류-전압 특성 측정시에는 소스미터만을 사용하였다.
- 상기 전압 스윕 구간에서 7번의 양방향 전류 스위칭 결과를 얻을 수 있었고, 최대 10mA의 양방향 전류 스위칭이 상기 범위의 바이어스 전압에서 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 도출된 바이어스 전압 범위를 고려하여, 양방향 전류 스위칭을 구현하기 위한 VS를 4.6V로 결정하였다.
- ) 레이저를 사용하여 양방향 전류 스위칭을 구현하고자 한다. 이산화탄소 레이저에서 출력된 빔은 빔 집속(beam focusing) 장비를 통해 집속시켜 직접 박막 표면에 조사시켰다. 그리고 양방향 스위칭이 가능한 바이어스(bias) 전압 범위를 제작된 VO2 박막 기반 소자의 전류-전압 특성으로부터 도출하였다.
- 증착된 VO2 박막의 평균 두께는 ∼100nm로 측정되었다. 제작된 VO2 박막에 이온빔(ion beam) 식각을 통해 전류 채널(current channel)을 형성한 뒤, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 금(Au) 및 니켈(Ni) 전극을 식각된 박막 위에 형성하였다. 그림 1의 내부 그림은 상기 반도체 공정을 통하여 제작된 VO2 소자의 광학 현미경 사진을 보여주고 있다.
- 소자의 전극 간격(L)과 전류 채널로 사용되는 VO2 박막의 폭(W)은 각각 100 및 50μm이었다. 제작된 소자에서 레이저 트리거링되는 전류의 과도 응답을 측정하기 위해 그림 1에 보이는 것과 같이 소스미터(sourcemeter, Keithley 2410), VO2 소자, 일반 저항(RE)으로 이루어진 폐회로를 구성하였다. VO2소자는 직류 바이어스 VS를 인가하기 위한 소스미터와 일반 저항에 직렬로 연결하였다.
대상 데이터
- 2단자 평면형 VO2 소자의 제작을 위해, VO2 박막은 PLD 기법을 이용하여 사파이어 기판(Al2O3 substrate) 위에 증착되었다.
성능/효과
- 결과적으로 평균 스위칭 대조비는 ∼3333으로 계산되었으며, 이는 표 1에 나타난 것과 같이 이전 연구[10]에 비해 ∼49배 높은 값이다.
- 과도 응답 측정 결과, 바이어스 전압이 ∼4.6V일 때 최대 10mA의 안정적인 양방향 전류 스위칭이 가능하였고, 스위칭 대조비는 ∼3333로 측정되었다.
- 레이저 출력 펄스의 상승 시간 및 하강 시간은 펄스 반복률이 500Hz이고, 듀티 비율이 50%일 때(펄스폭: 1ms) 각각 ∼29와 ∼83μs이었다.
- 상기 반복률에 대해 최대 10mA까지 안정적인 양방향 전류 스위칭이 가능하였으며, 오프-상태 전류는 ∼3.0μA이었다.
- 5V 범위의 전압 스윕(sweep)은 ∼10초 동안 수행되었으며, 레이저 펄스 간 간격은 1초 이상이었다. 상기 전압 스윕 구간에서 7번의 양방향 전류 스위칭 결과를 얻을 수 있었고, 최대 10mA의 양방향 전류 스위칭이 상기 범위의 바이어스 전압에서 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 도출된 바이어스 전압 범위를 고려하여, 양방향 전류 스위칭을 구현하기 위한 VS를 4.
- 이러한 결과로부터 양방향 전류 스위칭을 위한 광-열 유도 상전이를 일으킬 수 있는 이산화탄소 레이저의 최소 EPP는 ∼15.9mJ로 결정되었다.
- 특히 레이저 펄스에 의해 양방향 스위칭되는 전류의 과도 응답 측정을 통해 레이저 펄스폭이 ∼100ms이고 반복률이 1.0Hz일 때, 광-열 유도 상전이가 일어날 수 있는 최소 EPP를 ∼15.9mJ로 결정할 수 있었다.
- 평면-볼록 렌즈의 유효 구경(clear aperture) 및 유효 초점거리(focal length)는 입사 파장이 10.6μm일 때 각각 ∼80% 및 ∼75.0mm이었고, 선형 거울의 반사도는 99% 이상이었다.
후속연구
- 95로 낮았으며, 전류의 상승 시간과 하강 시간은 각각 ∼190 및 ∼610ms이었다. 2단자 VO2 소자의 양방향광 게이팅에서 이러한 낮은 스위칭 대조비와 항복 전압, 그리고 느린 응답 속도는 화합물 반도체 기반 광 트리거링 싸이리스터(light-triggered thyristor)와 같이 실제 적용되고 있는 광 게이팅 스위치와 비교할 경우 더욱 향상될 필요가 있다.
- 이러한 전계유도 상전이는 VO2의 부성 미분 저항(negative differential resistance) 특성에 의해 일정한 소자 인가 전압 이상에서 급격한 소자 전류의 증가를 가져온다[2]. 급격한 전류의 증가를 보이는 이러한 비선형성이 높은 전류-전압 특성은 VO2 소자의 스위칭 소자 응용성을 높여주며, PN 접합(junction) 기반의 기존 스위칭 소자와는 달리 VO2 박막 단일 층(single layer)으로 새로운 구조의 스위칭 소자를 구현할 수 있는 가능성을 제시한다.
- 이러한 레이저의 최소 EPP는 단일 펄스 실험을 통해서도 동일한 값을 얻을 수 있었다. 만약 박막 표면에 집속된 빔의 직경을 빔 집속 장비의 개선을 통해 더욱 감소시킬 수 있다면, 100ms 보다 작은 펄스폭을 갖는 레이저 펄스에 대해서도 안정적인 스위칭 동작을 기대할 수 있을 것이다.
- 0Hz)에 대해 양방향 전류 스위칭을 구현해보았으며, 스위칭 시 전류의 상승 시간과 하강 시간은 각각 ∼39 및 ∼21ms로 측정되었다. 이산화탄소 레이저를 사용하여 높은 스위칭 대조비와 빠른 스위칭 시간을 구현한 본 연구결과는 향후 레이저 트리거링 소자 개발에 대한 관심을 높이고, 산화물 기반 상전이 소자의 미래 전력 소자 및 시스템에 대한 응용을 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.
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