용액 공정을 통해 제조된 LaAlO₃/SrTiO₃ 계면에서의 이차원 전자 가스의 전기적 특성

Electrical Properties of Two-dimensional Electron Gas at the Interface of LaAlO₃/SrTiO₃ by a Solution-based Process

SrTiO₃ (STO) 기판 위에 성장된 LaAlO₃ (LAO) 계면에서의 이차원 전자 가스 (2DEG)의 발견은 복합 산화물이종 구조를 기반으로 한 혁신적인 전자소자 연구의 장을 제공함으로써 많은 관심을 받아왔다. 하지만 LAO 박막을 형성하기 위하여, 일반적으로 물리기상증착법(PVD)을 기반으로 하는 펄스 레이저 증착 (PLD) 등의 기법이 주로 사용되어 왔으나, 공정 비용이 많이 들며 LAO 내 La와 Al의 정밀한 조성 제어가 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 PVD에 비해 경제적인 대안인 용액 기반 공정을 사용하여 LAO 박막을 제조하였고, 그 전기적 특성을 평가하였다. LAO 전구체 용액의 농도를 다르게 하여 LAO의 두께를 2에서 65 nm까지 변화시켰으며, 각 두께에 따른 면저항 및 캐리어 농도를 도출하였다. 진공 열처리 후 형성된 전도성 채널의 면저항 값은 0.015에서 0.020 Ω·sq⁻¹ 범위로 나타났으며, 이러한 결과는 기존 문헌과 비교하였을 때 LAO와 STO 사이의 계면에서의 전자 이동뿐만 아니라 계면으로부터 떨어져 있는 STO bulk 영역으로의전자 전도를 시사한다. 본 연구 결과는 용액 기반 공정을 통한 2DEG 형성 및 제어를 구현한 것으로, 공정 비용을 줄이고전자 소자 제조에서 보다 광범위한 응용 가능성을 제시한다는 점에 그 의의가 있다.

The discovery of a two-dimensional electron gas (2DEG) at the interface of LaAlO₃ (LAO) and SrTiO₃ (STO) substrates has sparked significant interest, providing a foundation for cutting-edge research in electronic devices based on complex oxide heterostructures. However, conventional methods for producing LAO thin films, typically employing techniques like pulsed laser deposition (PLD) within physical vapor deposition (PVD), are associated with high costs and challenges in precisely controlling the La and Al composition within LAO. In this study, we adopted a cost-effective alternative approach—solution-based processing—to fabricate LAO thin films and investigated their electrical properties. By adjusting the concentration of the precursor solution, we varied the thickness of LAO films from 2 to 65 nm and determined the sheet resistance and carrier density for each thickness. After vacuum annealing, the sheet resistance of the conductive channel ranged from 0.015 to 0.020 Ω·sq⁻¹, indicating that electron conduction occurs not only at the LAO/STO interface but also into the STO bulk region, consistent with previous studies. These findings demonstrate the successful formation and control of 2DEG through solution-based processing, offering the potential to reduce process costs and broaden the scope of applications in electronic device manufacturing.