[논문 리뷰] Growth of ultra thin vanadium dioxide thin films using magnetron sputtering

Fangfang Song, B. E. White|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 12.

Transition Metal Oxide Nanomaterials인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 반응성 DC 매그네톤 스퍼터링을 통해 약 42 nm 두께의 초박막 박막을 비정질 SiO2 기판에 성공적으로 성장시켰고, 이후 저산소 분압에서 후처리 열처리를 실시하였다. 박막은 약 72°C에서 전도도 변화가 200배 이상인 금속-절연체 전이 특성을 보였으며, 히스테리시스 폭은 약 8°C, 절연상에서 열적 활성화 행동을 나타내었고 활성화 에너지는 0.16±0.03 eV였다. 또한 높은 인장응력(~2.0 GPa)을 경험하여 전이 온도가 약 4°C 이동하였다.

ABSTRACT

In this work, the results of fabricating ultra thin VO$_2$ films on the technologically relevant amorphous SiO$_2$ surface using reactive DC magnetron sputtering are presented. Results indicate that a post deposition anneal in low partial pressures of oxygen is an effective way at stabilizing the VO$_2$(M$_{1}$) phase on the SiO$_2$ surface. VO$_2$ films with a thickness of 42nm show a continuous microstructure, and undergo a resistivity change of more than a factor of 200 as the temperature of the film increases above 72$^{o}C$. The film shows hysteresis in the metal-insulator transition temperature upon heating and cooling with a width of approximately 8$^o$C. The resistivity of the low temperature semiconducting phase is found to be thermally activated with an activation energy 0.16$\pm$0.03 $ev$. Stress measurements using X-ray diffraction indicate that the ultra thin VO$_2$ film has a large tensile stress of 2.0$\pm$0.2 $GPa$. This value agrees well with the calculated thermal stress due to differential thermal expansion between the VO$_2$ thin film and silicon substrate. The stress leads to a shift of the metal-insulator transition temperature by approximately 4$^{o}C$.

연구 동기 및 목표

• 기술적으로 관련성이 높은 비정질 SiO2 기판 상에서 고품질 초박막 VO2 박막을 대량 생산 가능한 방법을 개발하기 위해.
• 100 nm 이하 두께의 박막에서 상의 불안정성과 낮은 결정성으로 인해 어려운 VO2(M1) 상을 안정화하기 위해.
• 산소 분압과 후열처리가 상 순도, 미세구조 및 금속-절연체 전이(MIT) 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 잔류 응력의 정량화 및 초박막 VO2 박막에서 MIT 온도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비정질 SiO2와의 호환성을 입증하여 VO2 기반 소자를 기존 실리콘 기반 기술에 통합할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 산소 분압을 조절하기 위해 제어된 O2/Ar 기체 유량 비율(1.9–3 sccm)을 사용하여 550°C에서 열산화된 Si 기판 상에 바나듐 금속 타겟을 반응성 DC 매그네톤 스퍼터링으로 증착하기 위해.
• VO2(M1) 상을 안정화하기 위해 550°C에서 저산소 분압(0–4.8×10⁻² Pa) 조건에서 후처리 열처리를 실시하기 위해.
• 결정학적 상 식별 및 상 순도 평가를 위해 기울인 입사각 X선 회절(GIXRD)을 사용하기 위해.
• 초박막 박막의 정밀 두께 측정을 위해 X선 반사도를 사용하기 위해.
• 박막 내 인장응력을 정량화하기 위해 X선 회절 기반 잔류 응력 측정을 실시하기 위해.
• 온도 사이클을 거쳐 전기적 특성 측정을 위해 Keithley 4200 반도체 파rameter 분석기를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반응성 스퍼터링과 후열처리를 통해 비정질 SiO2 기판 상에서 초박막 VO2 박막(≤100 nm)을 원하는 VO2(M1) 상으로 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 스퍼터링 중 산소 분압이 VO2 박막의 상 조성과 결정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 금속-절연체 전이 근처에서 초박막 VO2 박막의 전기적 반응(전기저항 변화, 히스테리시스 폭, 활성화 에너지)은 어떠한가?
• RQ4 초박막 VO2 박막 내 잔류 응력이 MIT 온도를 어느 정도 이동시키는가?
• RQ5 42 nm 두께의 박막에서도 높은 전기저항 대비 변화를 유지하면서 MIT 특성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 42 nm 두께의 초박막 VO2 박막은 약 72°C에서 금속-절연체 전이 동안 전기저항 변화가 200배 이상 관찰되었다.
• 가열 및 냉각 사이클 중 금속-절연체 전이의 히스테리시스 폭은 약 8°C였다.
• 저온 반도체 상은 열적 활성화에 의해 전기저항이 변화하며 활성화 에너지는 0.16±0.03 eV였다.
• 박막은 매우 높은 인장응력 2.0±0.2 GPa를 경험하였으며, 이는 VO2와 Si 기판 간 열팽창계수의 불일치로 인한 열적 응력과 일치하였다.
• 이러한 응력은 MIT 온도를 약 4°C 이동시키며, 응력이 상전이 거동에 미치는 영향이 크다는 것을 보여주었다.
• 저산소 분압에서의 후처리 열처리가 VO2(M1) 상의 안정화와 비정질 SiO2 상에서 고품질의 상순수 박막을 얻기 위해 필수적임을 확인하였다.