Study on uni-directional vertical current in metal-insulator-oxide semiconductor structures

Abstract

전기적 전류가 절연체 박막을 통해 흐를 수 있게 하는 기술은 다이오드나 저항성 스위칭 소자와 같은 차세대 소자들에서 새롭게 주목 받고 있다. 하지만, 이러한 소자들에서 전류 흐름은 전극 제한 전도 이론 (electrode-limited conduction mechanisms)을 따르기 때문에 절연체의 두께가 매우 얇아야 한다는 공정 제약 사항이 있고 전류의 크기나 방향을 조절하기 어렵다는 단점이 있다. 이 논문에서는 상대적으로 두꺼운 절연체 막을 통해서 전기 전하들이 안정적으로 흐를 수 있는 새로운 접근 기술을 소개한다. 이는 절연막 내에 존재하는 결함 위치들 (trap sites)과 중첩되는 전극의 면적을 조절하거나, 다양한 증착법을 통해 절연막 내의 결함 농도를 조절하는 전략으로 달성하였다. 그리고 금속 / 절연막 / 금속 구조에서 상부 전극을 산화물 반도체 물질로 변경하여 전류의 크기와 극성을 정교하게 제어하였다. 또한 이 때 흐르는 전류는 외부 전극으로부터 주입되는 전하에 의존하는 공간 전하 제한 전도 이론 (space charge-limited conduction mechanism)을 따른다는 것을 입증하였다. 따라서, 수직 전류의 크기나 외부 신호를 정류하는 정류비는 산화물 반도체 전극의 전기적 특성에 따라 정교하게 제어할 수 있다는 점이 증명되었다. 이러한 수직 전류를 나타내는 소자는 기존의 다이오드처럼 동작함이 확인되었고, 다양한 전자 회로에서 다이오드가 하는 역할을 대체할 수 있는 가능성을 확인하였다. 금속 / 절연막 / 산화물 반도체 구조에서 발견한 이 특이한 수직 전류 현상은 재료과학이나 전자공학 분야에 활용될 수 있는 다양한 잠재력을 지니고 있다고 기대된다.