최근에 전자 산업이 급속도로 발전됨에 따라 국내외적으로 강유전체 박막이 첨단 산업의 핵심 부품으로 사용 빈도가 높아지고 있으며 전자 부품들의 극소화 요구로 강유전체 세라믹이나 단결정을 이용한 소자보다는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)나 센서 (sensor) 등에 사용될 수 있는 우수한 기능을 가진 박막 소자들이 필요하게 되어 강유전체 박막 성장 과정에서 파생되는 제반 기술을 개발할 필요성이 증대되고 있다[1-8].

지금까지 활발하게 연구된 무연계 강유전체 물질 중 하나인 SrBi₂Ta₂O₉ (SBT) 물질은 일반식 (Bi₂O₂) 2+(SrTaO₇) 2-로 나타낼 수 있으며 그 구조는 c-축에 수직한 유사-정방정계 대칭성 (pseudo-tetragonal symmetry)을 가지며 c-축을 따라 Bi₂O₂ 층들 사이에 조성된 SrTaO₃가 2개의 유사-정방정계 단위 적층으로 구성되며 TaO₆ 팔면체로 구성된 페로브스카이트 층에 의해 (ab) 면을 따라 자발 분극 (spontaneous polarization)이 발생된다[9].

강유전체를 두께가 얇은 박막 (50–300 nm)으로 증착하여 집적회로 (Integrated Circuit; IC)와 대규모 집적회로 (Large-scale Integrated Circuit; LSI)의 구동 전압인 5 V 이하에서 작동시키면 150 kV/cm에서 1 MV/cm까지 매우 큰 전기장이 강유전체 박막에 인가되어 박막의 강유전 특성을 자세히 조사할 수 있다. 이때 강유전체 박막의 누설 전류 (leakage current)는 실리콘의 p-n 접합 전류밀도 정도까지 감소하여야 하므로 누설 전류의 양을 감소시키는 것이 중요하다. 특히 강유전체 박막을 DRAM (Dynamic Random-Access Memory)소자로 응용할 경우 누설 전류로 인해 기록된 데이터를 잃지 않도록 새로 고침 시간 (refresh time)이 필요하다. 누설전류의 크기가 클수록 셀에 기록된 데이터 보유시간(retention time)이 짧아지므로 기록된 데이터를 잃지 않기 위해 새로 고침 시간이 짧아져야 한다. 박막 축전기에 저장된 축적 전하를 일정하게 유지한 채 누설 전류를 최소화할 수 있다면 새로 고침 시간을 길게 연장할 수 있으므로 그 응용성을 높일 수 있다.

누설 전류는 강유전체와 금속 전극의 경계면에 일어나는 현상으로 전도기구의 개념으로 설명하면 알 수 있다. 누설 전류의 전도구조는 금속과 강유전체 경계면에 형성되는 장벽 높이의 크기와 폭에 의해 결정된다. 강유전체 박막에서 전류-전압 의존성은 상호 확산층, 산소 결핍 층과 표면 덫 전자 등의 문제 때문에 복잡하다[10,11]. 강유전 박막 축전기에서 전극과 강유전체 박막의 접합면의 상태가 강유전체 축전기의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있다. 특히 SBT 박막 성장 시 800 ^∘C 이상의 높은 결정화 온도가 필요하기 때문에, 고온에서 열처리 이후의 Pt/SBT/Pt 접합 면의 표면 상태는 Pt/SBT/Pt 박막 축전기의 전기적 특성에 크게 영향을 준다[12]. 강유전체에 첨가된 불순물과 결함은 덫 전자나 주개 (donor)로 활동한다. 박막의 전기전도 기구를 이해하는 것은 소자의 특성을 이해하기 위해서는 중요하다. 강유전체 박막 축전기에 흐르는 누설 전류가 높으면 센서나 DRAM 축전기 소자에 저장된 데이터를 쉽게 잃어버릴 가능성이 있고, 또한 저장된 데이터를 잃어버리기 않기 위해서 새로 고침 시간을 짧게 하여야 하기 때문에 전력 소비가 높아진다. 만약 강유전체 박막 축전기의 누설 전류 특성을 분석하고 억제할 수 있다면 강유전체 박막 축전기에 기록된 데이터 보유시간을 증가시키고, 새로 고침 시간을 길게 연장할 수 있기 때문에 더욱 향상된 강유전체 응용 소자를 기대할 수 있다. 그러므로 강유전체 박막을 응용함에 있어서 강유전체 박막에 다양한 DC 바이어스 전압 (Direct current bias voltage) 조건에 따른 누설 전류 변화를 측정하고, 누설 전류에 기여하는 기구를 이해하는 것은 매우 중요하다.

본 연구는 무연계 강유전체 박막 소재 중에 활발하게 연구된 소재인 SBT 박막의 성장과 박막의 Bi/Sr 조성비 변화에 따른 누설전류의 특성을 평가하기 위해 온도 변화 및 다양한 DC 바이어스 전압 조건하에서 측정하고 분석한 결과이다.

Bi/Sr 조성비가 다른 SBT 박막을 증착하기 위하여 우선 Table 1과 같이 조성이 다른 SBT 세라믹 타겟을 일반적인 고상 반응법을 이용하여 SBT 세라믹 표적을 제조하였다. 조성이 다른 SBT 세라믹 표적을 사용하여 펄스 레이저 증착법 (Pulsed Laser Deposition; PLD)으로 Bi/Sr 조성비가 다른 SBT 박막을 Pt(111)/Ti/SiO₂/Si (Silicon Quest International Co., U.S.A.) 기판 위에 증착하였다. PLD를 이용하여 SBT 박막 증착 시 450 ^∘C의 기판온도, 200 mTorr의 산소분압 분위기에서 5 J/cm²의 레이저 출력 조건으로 박막을 성장시켰다. 이후 관상형 전기로를 이용하여 800 ^∘C의 산소분위기에서 1시간 동안 후 열처리하여 박막 시료를 준비하였다. SBT 박막의 전기적 특성을 조사하기 위하여 금속-강유전체-금속 (Metal-Ferroelectric-Metal; MFM) 구조를 갖는 SBT 박막 축전기를 제작하였다. DC 스퍼터 장비와 2.5 ×10-4 cm² 면적의 원형 전극을 증착 할 수 있는 전극용 금속 마스크를 이용하여 SBT 박막의 상부에 Pt 전극을 증한 후 500 ^∘C에서 1시간동안 전극 열처리를 하였다. SBT 박막의 구조와 결정성을 조사하기 위하여 X-선 회절 (X-ray Diffraction; XRD, X-ray Diffraction RAD Ⅲ, Rigaku, Japan) 실험을 하였다. SBT 박막의 Sr, Bi 표면 조성은 Electron Probe Micro Analyzer (EPMA, EPMA-1400, Shimadzu Co., Japan)를 이용하여 가속전압 15 kV에서 정량 분석하였다. SBT 박막의 전류-전압 특성은 고전압원 전류계 (Keithley 236, Keithley Instruments, Inc., U.S.A.)를 컴퓨터로 제어하면서 측정하였다. SBT 박막의 전류-전압 (I-V) 곡선과 전류-시간 (I-t) 곡선을 측정하여 전기전도 특성을 조사하였다. 박막 축전기에 분극처리 전압 (Vp)을 인가하여 초기의 분극 상태를 결정한 후 어느 정도의 대기시간 (waiting time: tw)이 지난 후 정전류를 측정하였다. 분극처리 전압의 크기와 주기는 한 방향으로 정렬된 구역의 수를 결정하며, 또한 분극처리 전압에 의해 박막내의 공간 전하 분극도 정렬되므로 분극을 정렬시키기 위해 항전기장 (coercive field, Ec) (두께 300 nm 에서 약 1.5 V)보다 큰 전압 (10 V)을 10 초 동안 인가하였다. 초기 분극 상태를 안정화시키기 위해 대기시간 (60 초)을 상대적으로 길게 두었으며 과도한 누설 전류의 과도한 상태를 제거하기 위해 각 ΔV에서 0.5–30 초 동안의 지연시간을 두었다. 전류-시간 특성도 박막의 초기 분극 상태에 크게 의존한다. 분극처리 전압 (+Vp와 -Vp)을 인가하여 초기에 각각 양 또는 음의 분극 상태를 가진 축전기에 DC 바이어스 전압 (VDC)을 인가하여 시간에 따른 전류를 측정하였다.

Table 1

EPMA results of SBT ceramic targets and thin films and Bi/Sr ratio of SBT thin films.

Composition		Bi/Sr ratio of SBT thin film
SBT ceramic targets	SBT thin films
Sr0.70Bi2.39Ta2.0O9	Sr0.94Bi3.24Ta2.0O9	3.4
Sr1.31Bi2.47Ta2.0O9	Sr0.81Bi2.30Ta2.0O9	2.8
Sr1.06Bi2.34Ta2.0O9	Sr0.91Bi2.1Ta2.0O9	2.3
Sr1.44Bi1.93Ta2.0O9	Sr1.11Bi1.38Ta2.0O9	1.2

Table 1은 EPMA로 측정된 SBT 세라믹 표적과 SBT 박막의 조성과 SBT 박막의 Bi/Sr 조성비를 나타낸 것이다. 이 연구에서는 조성비가 각각 다른 SBT 세라믹 표적을 사용하여 PLD 방법으로 박막을 증착함으로써 Bi/Sr 조성비가 다른 SBT 박막을 증착 할 수 있었다. 그리고 각기 다른 Bi/Sr 조성비를 갖는 SBT 박막의 전기적 특성을 분석하였다.

Figure 1(a)는 Bi/Sr 조성비에 따른 SBT 박막의 X-선 회절 무늬를 나타낸 것이다. Bi/Sr 조성비가 2.3 이하인 시료는 면에 수직인 방향으로 (115)와 (00l) 결정 방향이 혼재되어 있고, Bi/Sr 조성비가 2.8인 시료는 (115), (200), (00l) 결정 방향이 혼재되어 있다. 반면 Bi/Sr 조성비가 3.4인 시료는 (115)와 (200) 방향으로 우선 정렬 되어있다. 즉 Bi/Sr 조성비가 증가할수록 a-b축 방향으로 결정방향이 우선정렬되는 경향을 보인다.

Figure 1. (Color online) (a) XRD pattern and (b) P-E hysteresis loop of SBT thin film as a function of Bi/Sr ratio.

Figure 1(b)는 Bi/Sr 조성비에 따른 SBT 박막의 P-E 이력곡선을 나타낸 것이다. Bi/Sr 조성비가 증가할수록 잔류분극 값이 증가하는 경향을 보인다. 이 경향은 XRD 분석에서 Bi/Sr 조성비가 증가할수록 a-b축 방향으로 결정방향이 우선정렬되는 경향과 연관이 있다. Bi 층상구조 강유전체에서 (ab) 면을 따라 자발 분극이 발생하는 것과 일치하는 경향을 나타낸다[10,13]. Bi-페로브스카이트 층상 구조를 가지는 SBT 강유전체의 평판 박막 축전기의 경우, 전기장이 반전하는 동안 a-축과 c-축으로 배향된 박막의 구역 벽 (domain walls) 이동은 다르게 나타나므로 강유전 분극의 크기는 이방성이 매우 크게 나타난다. Rae et al.[14]와 Withers et al.[15] 등은 SBT에서 Bi-O층에 대한 Sr-Ta-O 페로브스카이트 구조의 상대적인 변위가 잔류 분극 Pr (remanent polarization) 값에 가장 크게 기여한다고 하였다. Noguchi et al.[16] 등은 SBT 박막의 이력곡선 측정결과 Sr/Bi/Ta 조성비가 0.8/2.2/2 일 때 SBT 박막의 Pr 값은 1.0/2.0/2.0 조성비의 Pr 값과 큰 차이가 보인다고 발표하였다. Sr 이온 자리에 치환된 Bi 이온들에 의해 Sr-O 사이의 약한 공유 결합보다 강한 Bi-O 사이의 공유 결합을 형성하기 때문에 Bi의 변위가 Sr 변위보다 더 크게 일어나서 Pr 값을 증가시킨다고 하였다. Withers et al.[15]은 SrBi₂Ta₂O₉ 에서 Sr 이온과 Bi₃TiNbO₉ 에서 Bi 이온들 사이의 변위 차이는 Sr-O와 Bi-O 사이의 공유 결합 길이 차이에 기인한다고 하였다. SBT와 Bi₃TiNbO₉ 박막 사이의 Pr 값 차이는 위에서 언급한 공유 결합에 의한 변위가 다르기 때문이다. 그러나 Miura 등[13]의 연구결과에 의하면 Sr 자리에 Bi 이온의 치환에 의한 Sr/Bi/Ta의 조성비가 0.8/2.2/2.0인 SBT 박막과 1.0/2.0/2.0인 박막의 Pr값 차이는 Sr-O와 Bi-O 사이의 결합 길이 차이가 아니라 공유 결합하는 과정에서 형성된 공간 구조의 변화에 기인한다고 주장하였다.

Figure 2는 Bi/Sr 조성비가 3.4와 2.8인 SBT 박막의 지연 시간 (delay times) 에 따른 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. Figure 2(a)는 Bi/Sr 비가 3.4인 SBT 박막의 ln(J)-ln(E) 전류 밀도-전압 특성 곡선으로 n은 J=cEn의 지수이며, c는 상수이다. 그림에서 80 kV/cm 보다 낮은 전기장에서는 저항성을 나타내는 n = 1.1–1.2의 기울기를 갖는 영역과 100 kV/cm 보다 높은 전기장에서 n이 10 이상인 전도성을 나타내는 영역으로 구분된다. Bi/Sr 조성비가 3.4인 SBT 박막의 전류밀도 JL값은 지연시간이 0.5 초인 경우 80 kV/cm의 전기장에서 약 2×10-7 A/cm² 이었으며 지연시간이 0.5 초보다 긴 30 초일 경우 JL이 7×10-8 A/cm²로 낮게 나타났는데 이것은 누설 전류에 영향을 주는 전도 전자가 전기장에 의해 더 이상 전도에 기여하지 못하기 때문이다. 지수 n값은 80 kV/cm보다 낮은 전기장에서 지연시간에 따라 1.1–1.2로 거의 일정하였으며 누설 전류는 전기장에 비례하는 유사 저항성 (ohmic-like) 전류였다.

Figure 2. (Color online) Current density as a function of delay time for SBT thin films with Bi/Sr ratios of (a) 3.4 and (b) 2.8.

Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막의 경우 전기장의 변화에 따른 누설 전류는 3 단계로 변화하였다. 인가 전기장이 50 kV/cm보다 낮은 첫 번째 영역에서는 지연시간의 증가에 따라 누설 전류는 감소하였으며 지수 n 값은 Fig. 2(b)와 같이 지연 시간의 증가에 따라 1.3에서 1.5로 증가하였다. 전기장이 50–100 kV/cm인 두 번째 영역에서는 지수 n값이 5–7을 나타났는데 이 영역은 전하 밀도가 불연속으로 존재하는 얕은 덫을 갖는 공간 전하 한계 전도 (Space Charge Limited Conduction; SCLC)의 전류-전압 특성을 나타내고 있다[10]. 전기장이 100 kV/cm 이상인 세 번째 영역에서는 Bi/Sr 조성비가 3.4인 경우와 같이 지연시간에 따라 지수 n 값이 19에서 50까지 증가하였다. Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막은 3.4 조성비를 갖는 박막보다 누설 전류가 10배 정도 크게 나타났는데 이 현상은 하부전극인 Pt 기판과 SBT 박막 사이의 접합 영역에 존재하는 결핍층 (depletion layer)에서 덫 전자나 공간전하 (받개, acceptor)로 활동함으로써 경계면 부근의 운반자 농도 (carrier concentration)가 증가하였기 때문이다.

금속-반도체 경계면에서 쇼트키 장벽 높이 (Schottky barrier height)는 전류-전압, 활성화 에너지, 전기용량-전압, 그리고 광전류 등의 4가지 방법으로 측정할 수 있다. 실험에서는 전류-전압 측정으로 Pt 전극과 SBT 박막 사이의 계면 접촉에 의한 쇼트키 장벽 높이를 다음과 같은 식으로 계산하였다[17].

Equation (1)에서 E=0일 때 전류-전압 측정에서 외삽 된 전류밀도 값은 포화전류밀도 Js, T는 절대온도, q는 단위 전하량, k는 볼츠만 (Boltzmann) 상수이다.

Figure 3은 온도변화에 따른 (a) Bi/Sr 조성비가 3.4, (b) Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 인가 전기장 150 kV/cm, 150 ^∘C 이상의 높은 온도에서 누설 전류는 비저항성 접촉 영역을 나타내었다. 전류가 쇼트키 방출 모형에 따르면 곡선 맞춤은 I-V 특성에서 직선이 되는데 80 kV/cm에서 200 kV/cm까지 전류는 직선 형태로 쇼트키 방출 모형과 일치하였다.

Figure 3. (Color online) Current-Voltage characteristics as a function of temperatures for SBT thin films with Bi/Sr ratios of (a) 3.4 and (b) 2.8.

Figure 4는 (a) Bi/Sr 조성비가 3.4와 (b) Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막의 J/E-E0.5 전류 특성을 나타낸 것이다. 150 ^∘C보다 낮은 온도와 80 kV/cm 이상의 전기장에서 J/E 곡선은 선형적으로 변하면서 쇼트키 모형과 잘 맞았다. Pt 전극과 강유전체 SBT 박막의 경계면에서 쇼트키 장벽 높이는 Eq. (2)를 이용하여 다음과 같이 계산될 수 있다.

Figure 4. (Color online) J/E – E0.5 characteristic as a function of temperatures for SBT thin films with Bi/Sr ratios of (a) 3.4 and (b) 2.8.

Equation (2)에서 E=0 일 때, J/T2의 외삽 값을 이용한 쇼트키 그래프를 그려서 장벽 높이 ΦB을 계산할 수 있다. Pt/SBT 경계면의 장벽 높이는 아직 정확히 알려지지 않았으나 SBT 박막의 흡수계수 측정으로부터 띠 간격은 4.2 eV, 전자 친화도 (electron affinity)은 3.5 eV로 보고되고 있다[18,19]. Equation (2)에서 E=0 일 때, J/T2의 외삽 값을 이용하여 계산한 결과 Bi/Sr 조성비가 3.4와 2.8인 SBT 박막의 장벽 높이는 각각 0.94 eV, 1.02 eV이었다. 이 값은 Watanabe 등[20]이 측정한 SBT 박막의 쇼트키 장벽 높이 0.9 eV와 거의 일치하였다. Bi/Sr 조성비 3.4가 2.8 보다 장벽 높이가 낮은 것은 Sr 자리에 치환된 Bi 이온이 받개로 p-형 반도체가 되어 실온에서 활성화된 운반자의 양이 줄어들었기 때문이다. Mihara 등[13]이 측정한 Pb(Zr_0.4Ti_0.6)O₃ (PZT) 박막의 쇼트키 (Schottky) 장벽 높이의 측정값은 0.58 eV 로 SBT 박막보다 낮았다. 덫 중심 준위 (trap center level)는 E=0일 때, J/E의 외삽 값으로부터 얻어지는데 Bi/Sr 조성비가 3.4와 2.8인 SBT 박막의 덫 중심 준위는 0.55 eV, 0.83 eV이었다.

Bi/Sr 조성비에 따른 SBT 박막의 전류-시간 특성을 Keithley 236을 이용하여 측정하였다. 먼저 박막의 분극을 정렬시키기 위하여 poling 전압 10 V를 10 초 동안 상부 전극에 (+)로 인가하였으며 초기의 분극 상태를 안정화하기 위하여 대기시간 (120 초)을 상대적으로 길게 두었으며 인가전압에 따라 대기시간을 200 초까지 변화시키면서 10 초마다 전류 값을 측정하였다. Figure 5(a)는 DC 인가전압에 따른 Bi/Sr 조성비가 3.4인 SBT 박막의 전류-시간 특성을 나타낸 것이다. 모든 전류-시간 곡선은 log(J)-log(t)의 선형적으로 변하였으며 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

Figure 5. (Color online) Current-Voltage characteristic as a function of applied voltage for SBT thin films with Bi/Sr ratios of (a) 3.4 and (b) 2.8.

여기서 m은 지수이고, J0는 t=1일 때 전류이다. Figure 5(a)에서 Bi/Sr 조성비가 3.4인 경우는 Eq. (3) 을 만족시키지 못하고 있다. 그림과 같이 곡선 형태의 그래프는 강유전체 박막의 미세구조에 따라 달라진다. 강유전체 박막의 미세구조는 다음과 같이 두 가지 형태로 분류할 수 있다. 첫 번째는 비결정으로 성장한 박막을 고온에서 열처리하였을 때, 박막 두께 속에 여러 낟알 (grain)이 구형 형태의 층 쌓기 구조와 두 번째는 높은 기판 온도에서 증착하여 잘 결정화된 박막으로 고온 열처리 후에도 결정화가 남아있는 기둥 형태의 구조이다. Peng[21] 등은 구형 형태의 층 쌓기 구조를 갖는 박막인 경우 log(J)-log(t)의 그래프에서 직선 형태로 나타나고, 기둥 형태의 구조를 갖는 박막인 경우 log(J)-log(t)의 그래프에서 곡선 형태로 나타난다고 하였다. 실험에서 측정된 결과는 Peng이 제시한 두 번째 모형과 잘 일치하였다[21]. 이상의 결과로부터 Bi/Sr 조성비가 큰 SBT 박막인 경우 기둥 모양의 구조로 결정화가 이루어졌다고 할 수 있다.

Figure 5(b)는 인가전압에 따른 Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막의 전류-시간 특성을 나타낸 것이다. Bi/Sr 조성비가 3.4인 박막인 경우와 유사한 곡선 형태로 나타났으며, 인가전압 3 V에서 t=200 초일 때 JL는 6.6×10-8 A/cm² 이었다. 두 측정결과의 차이는 Bi 양의 차이에 의해 나타나는 현상이다. Bi/Sr 조성비 3.4와 2.8인 SBT 박막인 경우 인가전압이 4 V 이상일 때 100 초 이상에서 누설 전류가 다시 증가하였으며, 이것은 박막 내부나 결핍층에 고정되어 있던 공간전하가 전기장의 인가에 의해 자유 전자나 자유 양공의 형태로 바뀌어 전도에 기여하기 때문이다.

Figure 6(a)는 인가전압 3 V에서 온도 변화에 따른 Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막의 전류-시간 특성을 나타낸 것이다. log(J)-log(t)의 그래프에서 Bi/Sr 조성비가 3.4인 박막인 경우와 유사한 곡선 형태로 나타났으며 온도 증가에 따라 누설 전류가 증가하였다. 전류-시간 특성은 150 ^∘C 이하의 온도에서 power 법칙을 만족하였고 높은 온도에서 누설 전류는 작은 m 값을 가진다. 누설 전류는 처음에는 감소하였지만 175 ^∘C 보다 높은 온도에서는 시간에 따라 증가하였다. 온도변화에 따른 전류-시간 특성의 실험식은 다음과 같다.

Figure 6. (Color online) (a) Current-time and (b) logJ(t)–1/T characteristics of SBT thin film with Bi/Sr ratio of 2.8 at applied voltage of 3V.

여기서 Ea는 활성화 에너지, k는 볼츠만 상수, T는 절대온도이다.

Figure 6(b)는 t=10,100초일 때 logJ(t)-1/T의 특성을 나타낸 것이다. 150 ^∘C 이하의 온도에서 t=10,100초일 때 활성화 에너지는 각각 0.72 eV, 0.58 eV이었으며 Mihara 등[13]이 측정한 PZT 박막의 활성화 에너지의 실험값 0.5 eV와 거의 일치하였다.

Pt(111)/Ti/SiO₂/Si 기판 위에 Bi/Sr 조성비가 다른 SBT 박막을 PLD 방법으로 증착하여 결정구조, 강유전 및 전류-전압 특성을 연구하였다.

1. SBT 박막 성장의 최적 조건

Bi/Sr 조성비가 3.4인 SBT 박막은 (115) 방향으로 우선 성장하였으며 이 박막의 Pr은 14.3 μC/cm²로 포화된 강유전 특성을 나타내었는데 그 원인은 Bi 이온이 Sr 자리에 치환`된 후 산소와 공유 결합을 하면서 a-b 축 방향으로 Bi 변위가 Sr보다 더 크게 형성되었기 때문이다.

2. Bi/Sr 조성비가 2.8, 3.4인 SBT 박막의 전류-전압 특성

80 kV/cm 이하의 인가전기장에서 SBT 박막의 누설 전류는 지연시간에 강하게 의존하는 저항성 전류 특성을 나타내었다. Bi/Sr 조성비가 3.4인 경우 80 kV/cm에서 지연시간이 5 초일 때 누설 전류는 약 2×10-7 A/cm² 이었으며 Bi/Sr 조성비가 증가함에 따라 80 kV/cm보다 낮은 60 kV/cm의 인가전기장에서는 누설 전류가 급격히 증가하였는데 이 현상은 Bi 이온이 공간 전하 (받개)의 형태로 전도 운반자의 역할을 하였기 때문이다.

3. 온도변화에 따른 SBT 박막의 전류-전압 특성

박막의 온도가 150 ^∘C 이하일 때 인가전기장 80–200 kV/cm에서 전류-전압은 쇼트키 방출 전도 모형과 일치되는 선형적 특성을 나타내었다. 전기장이 인가되지 않았을 때 Bi/Sr 조성비가 2.8인 경우 쇼트키 장벽 높이와 덫 중심 준위는 1.02 eV, 0.83 eV이었으며, Bi/Sr 조성비가 3.4인 경우 쇼트키 장벽 높이와 덫 중심 준위는 0.94 eV, 0.55 eV로 Bi/Sr 조성비가 증가할수록 감소하였다.

이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업(NRF-2019R1A6A1A11053838)과 2020년도 지역 우수 과학자 사업 (2020R1I1A3068422)의 지원을 받아 수행되었습니다.