SrTiO3 박막 및 금속/유전체 구조의 유전율에 대한 이론적 연구

Abstract

유전체의 두께 및 유전체가 어떤 금속 전극과의 계면을 형성하느냐에 따라 유전율이 변한다는 것을 확인한 많은 실험적 증거들이 있다. 예로 유전체의 두께가 얇아짐에 따른 유전율 감소 현상이나, 금속과 계면을 이루고 있는 유전체에서 계면쪽의 전기용량이 기대했던 값보다 감소하는 dead layer의 존재 등을 들 수 있다. 이런 유전율 감소 효과는 DRAM이나 플래쉬 등에 널리 사용되는 산화물 박막에서 매우 중요한 부분을 차지한다. 하지만 아직까지 미시적인 관점에서 전기용량이나 유전율이 감소하는 원인을 설명하지 못하고 있다. 본 논문에서는 유전체로 많이 사용되고 있는 SrTiO3 박막의 유전율에 대하여 박막의 두께가 얇아졌을 때의 유전율 변화를 관측해보고, SrTiO3가 금속과 계면을 형성하였을 때 나타나는 유전성에 대하여 연구하였다. 그리고 더 나아가 금속/유전체/금속 구조에서 전기용량을 계산하는 새로운 방법을 제시하였다. 외부 전기장을 가했을 때 SrTiO3 박막에 생기는 쌍극자 모멘트를 이용하여 SrTiO3 박막의 유전율을 구하였고, 금속/SrTiO3 구조에서 SrTiO3 박막의 원자 움직임을 통하여 유전성을 관측하였다. 그리고 계산 결과를 실험 결과와 비교하였을 때 비슷한 경향성을 보임을 확인하였다. 마지막으로 금속/유전체/금속 구조에 외부 전기장을 가하여 얻은 퍼텐셜과 전하량만으로 전기용량을 추론할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 새로운 방법을 사용하여 Au/MgO 구조의 전기용량을 구하였고 Wannier-fuction 이론을 사용한 계산 결과와 거의 일치함을 확인하였다. 본 논문에서 제시한 방법이 모든 금속/유전체/금속 구조의 전기용량을 구하는 일반적인 방법으로 사용될 수 있으리라 기대한다.;The dielectric constant of a material is usually defined in the bulk state. When the thickness of material is reduced down to nanometers, however, the dielectric constant as well as other physical properties will be dramatically different from that of bulk material. And many experiments show the dielectric constant of the metal/insulator/metal(MIM) structure is affected by the different interface between insulator and metal electrodes. Such an interference effect will be very important for thin oxide that is widely used for microelectronic devices such as DRAM, flash, etc. Using the first-principles approach, we investigate dielectric constant of ultrathin SrTiO3 film and dielectric response of SrTiO3 at the various metal oxide interface. We also suggest a simple method of calculating capacitance of the MIM structure. By looking at the dipole moments by the external electric field, we are able to extract the dielectric constant of ultrathin SrTiO3 film. The ionic relaxation of metal/insulator structure is also closely examined by applying finite external electric fields. We analyze the value of displacements between the anion and cation in each layer because it is one of the factors for dielectric constant. We proposed an efficient method of calculating capacitance using potential and charge density under an external electric field. This method can be applicable to other MIM systems.