VO₂박막의 MIT characteristic에 대한 stress 영향

Abstract

MIT 특성을 나타내는 바나듐 다이옥사이드 박막을 반응성 마그네트론 스퍼터링법으로 제작 하여 500℃에서 5시간 동안 열처리 하여 제작하였다. 산소의 분압이 4.25%일 때 바나듐 다이옥사이드 단상이 형성되었고 나머지 산소의 분압의 경우에는 바나듐 옥사이드 복합 상이 형성되었다. 본 연구에서는 MIT 특성을 나타내는 바나듐 다이옥사이드 박막에 다양한 V, Cr, Cr dopants를 첨가하여 나타나는 MIT 거동에 대하여 알아보았다. 바나듐 다이옥사이드 MIT 특성은 본 연구 결과에서 V, Ti, Cr과 같은 dopant를 첨가 할 경우 그 박막은 tensile stress가 인가 되었고 dopant의 양이 증가 될수록 인가된 stress의 양도 증가 되었다. dopants 가 증가되면서 제작된 바나듐 다이옥사이드 박막의 Tc(전이온도)는 감소 되었다. 이런 감소 효과는 Ti, Cr이 첨가되면서 각각 1.2%, 1.6%의 volume 변화에 의한 것으로 보여 진다. 특히 dopants의 양이 증가 되면서 바나듐 다이옥사이드 박막의 (011)이 texture가 일어 나는 결과를 얻었다. 특히 Ti, Cr이 첨가된 바나듐 다이옥사이드 박막의 경우에는 V가 첨가된 바나듐 다이옥사이드 박막에서보다 더 많은 Tc의 변화를 나타내었고 hysterisys loop는 거의 사라지게 되었다. 하지만 각각의 dopants가 첨가된 바나듐 다이옥사이드 박막에 compressive stress가 인가 될 때 전이 온도는 거의 변화가 없거나 야간의 상승효과를 보였다. 그리고 tensile stress가 작용하는 Si₃N₄ 위의 바나듐 다이옥사이드는 다른 dopants가 첨가된 경우와 유사한 결과를 얻었다. 그러나 compressive stress가 작용하는 SiO2위의 바나듐 다이옥사이드 박막은 변화가 거의 없었으며 오히려 compressive stress가 인가 될 때 다른 기판이나 dopants의 경우 보다 높은 전이 온도의 상승이 있었다. 산소의 농도가 4.25%를 제외한 바나듐 옥사이드 박막에서는 복합 상이 형성되었고 이런 복합 상이 존재하는 박막에서는 내부/외부적인 stress에 대하여 MIT 거동을 보이지 않았다. 따라서 바나듐 다이옥사이드 MIT는 tensile stress와 밀접한 관계를 갖는 결과가 얻어졌고 VOx 복합 상이 존재 할때 MIT 특성이 없거나 상온에서 그 저항값이 매우 높기 때문에 응용 분야의 적용에는 의미가 없거나 신뢰할 수 없는 약점을 나타낸다. 그래서 응용 분야에 적용될때에는 그 박막의 형태는 바나듐 다이옥사이드 단상으로 진행되어야 한다. 특히 본 연구의 결과로서 IR sensor system에서 detector material로서 바나듐 다이옥사이드 박막이 적용된다면 앞선 결과에서 나타난 상온 면 저항이 10㏀ 미만인 Ti가 0.012%이상으로 첨가된 바나듐 다이옥사이드나 Cr이 0.024%이상으로 첨가된 바나듐 다이옥사이드 가 낮은 상온 저항과 높은 TCR 특성을 나타내기 때문에 이용될수 있다. 그리고 micro-bolometer의 detector material로서 바나듐 다이옥사이드 박막이 이용된다면 mm wave 신호를 받는 안테나와의 matching 효과를 고려해야 한다. 이때에는 높은 TCR과 상온 저항이 5㏀ 미만이어야만 한다. 이런 조건을 만족하는 바나듐 다이옥사이드 박막은 Cr이 0.024%이상으로 첨가된 바나듐 다이옥사이드 박막이 적용되어야 한다