노태문 (Roh T.M.)
Ⅰ. 서론
물질에는 전기가 잘 통하는 금속(혹은 도체)과 전기가 잘 통하지 않는 절연체(혹은 부도체)와 금속보다는 훨씬 작은 전류가 흐르면서 저온에서는 절연체인 반도체가 있다. 금속은 최외각에 홀수개의 전자가 있지만 절연체와 반도체는 최외각에 짝수개의 전자로 구성되어 있다. 이것이 에너지 밴드 이론에 기반을 둔 금속과 절연체와 반도체의 정의이다[1,2]. 절연체와 반도체는 에너지 밴드 갭이라는 것이 있으며, 반도체의 에너지 갭은 절연체의 갭보다 작다. 반도체 갭이 절연체 갭보다 작은 이유에 대해서 학문적으로 설명이 되었다[3].
그런데 이와 같은 에너지 밴드 이론을 따르지 않는 물질이 1930년대부터 계속 발견되어 왔다. 이런 물질들은 최외각에 홀수개의 전자를 갖는 금속의 전자구조를 가지면서 전기적으로 절연체의 성질을 띠는 것으로 모트(Mott) 절연체로 정의되었다[1,2]. 모트 절연체도 절연체의 전자구조를 갖기 때문에 전자와 원자핵 사이에 작용하는 에너지가 핵 근처의 가까운 거리까지만 미친다는 가정 아래 에너지 갭은 Egap=U(1-2zt/U)으로 계산되었다. 여기서 U는 금속의 자유 전자들 사이에 작용하는 전자-전자 쿨롱(Coulomb) 반발 에너지이다. 또한 2zt/U ≪ 1이 만족될 때, 쿨롱에너지를 임계 쿨롱에너지 Uc라고 하며, 에너지 갭은 Egap ≈Uc의 함수로 표현된다. 따라서 모트 절연체는 자유전자들 사이에 매우 큰 쿨롱에너지 Uc가 있을 때 에너지 갭이 형성되는 것으로, 일반적으로 에너지 밴드 이론에서 정의되는 전자-원자핵(전자-포논) 상호작용에 의해 형성되는 에너지 갭을 갖는 절연체(파이얼스(Peierls) 절연체라고 부름)와 다르다. 다시 말하면, 자유전자들 사이에 Uc가 존재하면 어떤 자유전자가 옆으로 혹은 위 혹은 아래로 어디로든지 움직이려고 할 때, 바로 근처에 있는 전자가 그 전자를 밀어내기 때문에, 그 전자는 쿨롱 힘의 균형으로 움직이지 못한다. 결국에는 그 물질은 부도체, 즉 모트 절연체가 된다(그림 1(a)).
모트-절연체 금속 전이 스위칭은 모트 절연체에서 임계 쿨롱에너지의 크기를, 즉 Uc → U ＜Uc으로 줄이면 쿨롱에너지의 균형이 갑자기 무너져서 모트-절연체에서 강상관(혹은 쿨롱에너지) 금속으로 전이가 일어난다(임계 쿨롱에너지의 파괴: Breakdown of the critical Coulomb interaction)(그림 1(b)). 이 현상을 절연체-금속 전이(IMT) 혹은 공학적으로 모트-절연체 금속 스위칭이라고 한다. 이 IMT 혹은 스위칭은 물질의 구조를 형성하는 원자 간 상호작용이 아니기 때문에 물질의 구조 상전이와 관계없이 일어난다. 그 스위칭을 위한 쿨롱에너지의 파괴는 온도를 가하거나 빛을 가하거나 높은 압력을 걸어주거나 큰 전기장을 걸어주거나 화학적 도핑을 하는 등과 같이 외부에서 에너지를 가할 때 일어난다(그림 1(b))[4,5]. 그 스위칭은 인위적으로 조정될 수 있다. 이 모트 IMT 현상은 50년 이상의 오랜 물리문제로서 ETRI의 MIT 연구팀에 의해 최초로 실험적으로 밝혀졌다[4,5].
이 IMT 현상은 많은 재료에서 일어나며 대표적으로 안정적인 물질 이산화바나듐 VO2에서도 일어난다. 또한 인위적으로 Si 소자에서도 이 현상을 일으킬 수 있다. 이 IMT를 이용하면 고감도 센서, 전력용 스위칭 소자, 뉴로모픽 소자, 양자 소자인 큐빗 등의 신개념 소자를 만들 수 있다.
이 동향분석에서는 모트 IMT 스위칭 현상과 그것을 이용하는 신개념 스위칭 소자 기술들을 간략히 소개한다.
Ⅱ. 본론
1. 온도에 의한 모트 IMT 스위칭
대표적인 모트 절연체 VO2(3d1, Half Filling, 금속의 전자구조)는 상온 이하에서 절연체이고, 상온과 임계온도 Tc 》67℃ 사이에서 반도체이고, Tc 위에서 금속이다. 임계온도에서 반도체-금속 전이는 급격하게 일어난다(그림 2(a)). 온도 이외에 IMT 소자에 전압을 가해도 전기적 점프(IMT 현상)가 일어나고, 그 점프 이후에 금속의 증거인 옴의 현상이 관측된다(그림 2(b)). 또 IMT 소자에 전압과 온도를 동시에 가하면, IMT의 임계온도 Tc는 전압의 증가에 따라 감소한다(그림 2(c)). 그 임계온도는 온도와 전압을 동시에 가하면서 제어될 수 있다(그림 2(c)). 추가로 이러한 IMT 소자는 발열하는 전자부품에 적용되어 과열방지 소자로 사용될 수도 있다. 또한 상온에서 전압만을 이용하여 IMT 임계 전압을 발열하는 파워 소자를 제어하는 곳에 사용될 수도 있다.
2. 부성미분저항 현상
2개의 전극을 갖는 2단자 구조의 IMT 소자(그림 2(c)의 삽입 그림)에 직류 전압을 가하면 그림 2(b)와 같이 임의의 IMT 전압에서 순간적으로 큰 전류가 흐르는 전기적 점프가 일어난다; 일정한 전압에서 IMT가 일어난다고 해서 정전압 모드라고 한다. 정전류 모드도 있다(그림 3). 그런데 이 경우 임계 IMT 전압에서 큰 전류가 흐른다는 장점이 있지만, 그 큰 전류로 인하여 발열과 히스테리시스 현상이 일어나서 반복적인 스위칭이 되지 못한다(그림 4(b) 검은색 선과 초록색 선과 히스테리시스). 히스테리시스를 제거하여 IMT에 의해 발생되는 큰 전류 스위칭을 일으키기 위하여, 대안으로 측정할 때 일정한 전류를 가하면서 전압을 측정하면, 그 일정한 전류 때문에 과도한 전류가 흐르지 않고 반도체 한계보다 큰 전류를 흘리면서 스위칭을 할 수 있다. 이 현상을 간략히 살펴보면, 옴의 법칙 V=IR에서 일정한 전류 I의 펄스를 가할 때, IMT 현상에 의해서 저항 R이 불연속적으로 크게 줄어들면서 측정되는 전압도 갑자기 감소한다. 이 현상은 일정한 전류(그림 3(b)에서 초록색 펄스)에 대해 저항 변화에 대한 전압 변화(그림 3(b)에서 노란색 피크)이므로 NDR(Negative Differential Resistance; 부성미분저항, dV/dR ＜ 0) 현상이라고 한다. 이 현상은 과도한 전류가 흐르지 않기 때문에 열이 심하게 나지 않아서 반복적인 IMT 스위칭이 가능하다. 그 흐르는 전류는 반도체 영역의 한계 전류보다 크고 금속상태에서 흐르는 전류보다 작다(IMT 영역). 이 스위칭은 IMT를 이용하는 것으로 전압 피크 현상으로 나타나는 신개념이고(그림 3), 이것을 이용하면 신뢰성이 있는 신개념 소자를 만들 수 있다.
3. IMT 진동
모트-IMT NDR 스위칭의 대표적인 예는 그림 4(d)에서 보여주는 것처럼 IMT 진동(Oscillation)이다. 이 진동은 반도체 소자 특성 측정 계측기(Parameter Analyzer 4156B)로 그림 4(a)에 있는 IMT 물질 VO2 기반 IMT 소자의 I-V 측정에서 얻어졌다. 그림 4(b)에서 전류를 증가시키면서 측정한 것은 빨간색 선이고, 전류를 감소시키면서 측정한 것은 파란색 선이다. 이것은 매번 측정할 때 일정하게 전류를 가하면서 전압을 측정하였다(전류모드, I-Mode)(그림 3의 NDR 측정 방법). 이 I-Mode 측정은 열이 훨씬 작게 나서 히스테리시스 현상이 관측되지 않는다. 그래서 이 측정은 반복성이 있다는 것을 의미한다. 이 그림은 P1 지점에서 전압이 급격히 감소하는 점프와 S 곡선을 경유하면서 P2의 전압 점프를 보여준다. 여기서 P1과 P2의 전압 점프는 그림 3에서 설명된 NDR의 전압점프이다. 여기서 특이한 현상은 S 곡선의 기울기(dI/dV ＜ 0)가 음이라는 것이다. 이것은 반도체의 특성인데, 이것은 이 물질 속에 금속 성분과 반도체 성분이 공존하고 있다는 것을 뜻한다.
그림 4(c)는 IMT 진동을 측정하기 위하여 구성된 회로도이다. IMT 소자는 외부저항, Rext와 직류 전원, Vs와 직렬연결된다. 이 IMT 진동의 기본 원리는 IMT 소자의 내부저항과 외부저항 사이에서 IMT 현상에 의해 발생된 저항변화가 일어나서 IMT 후 금속성분이 형성되고, 이때 그림 4(b)에 있는 반도체 특성 S에서 제시된 IMT가 일어나지 못 하고 남아 있는 반도체 성분이 존재하여, 그 반도체 성분은 IMT에 의해 형성된 금속성분이 전극이 되어서 캐패시터가 형성되는 것이다(그림 5)[7,8]. 그래서 외부 저항, Rext와 캐패시턴스, C와 함께 RC 회로가 형성되어서 RC 진동 현상이 나타난다. 그리고 IMT 진동에서 전류가 줄어드는 현상은 전하가 충전되는 현상이다(그림 4(e)). 이것이 IMT 진동이다(그림 4(d)). IMT 진동은 그림 4(b)에 있는 P1과 P2 사이에서 일어난다[7,8]. 그림 5는 IMT 과정에서 금속과 반도체 상이 공존하는 불균일성과 캐패시턴스가 형성되는 메커니즘을 보여준다[8].
그림 6은 IMT 진동의 DC 전원 전압 의존성을 보여준다. DC 전원 전압, Vs이 증가함에 따라 갑자기 IMT 진동이 나타나고(그림 6, II) 그 진동의 주파수는 전압의 증가에 따라 증가하다가 어느 한계 전압에서 갑자기 진동이 사라진다(그림 6, VI). 이 것은 전압의 증가에 따라 IMT 소자에서 IMT 전류가 증가하면서 내부 발열이 증가하여 소자 내의 반도체 특성 S가 감소하면서 캐패시터의 캐패시턴스의 크기가 줄어서 t=RC가 감소하여 상대적으로 주파수 f(∝1/t)가 증가하기 때문이다[7,8]. 그래서 소자 내부의 온도가 IMT 임계온도에 도달하여 C 성분이 사라지면서 진동도 함께 사라진다[7,8].
Ⅲ. 결론
반도체 영역 밖의 IMT 영역에서 NDR IMT 스위칭을 이용하면 동일 조건에서 반도체 소자보다 큰 전류가 스위칭되므로 전력용 스위칭 소자가 가능하고, IMT가 일어나는 임계 조건을 뉴론의 역치로 이용하면 뉴로모픽 소자로 활용이 가능하며, IMT가 발생할 때 금속상과 반도체상이 공존하는 불균일상을 이용하면 양자컴퓨터의 큐빗을 만들 수도 있다. 따라서 모트 IMT 스위칭을 이용하는 미래 신개념 스위칭 소자의 가능성을 밝혀둔다. 추가로 앞서 보여준 IMT 스위칭은 Si 소자에서도 구현이 가능하다[9].
참고 문헌
그림 1
그림 2
그림 3
그림 4
그림 5
그림 6
