This study reports on the characteristics and the role as a buffer layer for $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ of the $BaTiO_3$ thin films deposited on (100) p-Si, (111) InSb and indium tin oxide-coated (ITO) soda lime glass substrates by metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). The as-grown $BaTiO_3$ films deposited on various substrates at different temperatures below 600℃ had mirror like surfaces without having any indication of pin-holes, which was confirmed by Normarski optical microscopy. The results of the AES measurements of the $BaTiO_3$ films on (100) Si showed that the films have a stoichiometric composition containing barium, titanium, and oxygen. The ratios of the peak-to-peak intensities of the $Ba_{KLL}$, $Ti_{KLL}$, and $O_{KLL}$ peaks of the $BaTiO_3$ films were similar to those of a standard bulk $BaTiO_3$ sample. The results of X-ray diffraction (XRD) and the high-resolution cross sectional transmission electron microscopy (XTEM) results suggested as follows : The as-grown film on (100) Si exhibited a highly [110] oriented polycrystal film growth with the amorphous interfacial layer. The $BaTiO_3$ film deposited on (111) InSb at 300℃ had the peak occurring at $2\theta$=31.26˚, which arise from the three-dimensional, partially epitaxial microcrystal at the interface. The films grown on ITO glass at substrate temperature of 400℃ and 550℃ were of an amorphous phase(α-$BaTiO_3$). Atomic force microscopy (AFM) measurements under ambient conditions showed that the surface morphologies of the as-grown $BaTiO_3$ film were strongly influenced not only by crystallinity such as amorphism but also by growth characteristics.
The plots of capacitance-voltage (C-V) for the $BaTiO_3$ thin films on (100) Si and (111) InSb substrates were similar to that of the C-V measurements of an ordinary prepared $Al/SiO_2/Si$ diode. The dielectric constants of films on (100) Si and (111) InSb determined from the C-V measurements were approximately 200 and 30, respectively. The interface state density at the $BaTiO_3/Si$ and $BaTiO_3/InSb$ interface determined by the Terman method was approximately as high as $10^{11}eVcm^{-2}$ at the middle of the Si and InSb energy gap. In addition, the current-voltage (I-V) measurements were performed to investigate possible leakage of an MIS diode using the $BaTiO_3$ layer as an insulator gate. In the case of the films on ITO glass, dielectric constant and breakdown voltage were 12.9 and up to $2\times10^6V/cm$, respectively. The plots of dielectric loss ($\tan\delta$) and dielectric constant (ε) at room temperature as a function of frequency for the $Ag/\alpha-BaTiO_3/ITO$ showed typical frequency dependence characteristic of the dielectric thin film having a metal-insulator-metal (MIM) structure. The optical band gap ($E_g$) of the layer deposited at 400℃ determined by the spectrophotometer measurements was approximately 4.71eV. It is possible to deposit the $\alpha-BaTiO_3$ thin film on ITO glass at 400℃ not only with good structural characteristics such as surface morphology and interface property but also with adequate optical properties for applications of thin film electroluminescence device (TFELD) deposited by MOCVD.
Although the $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ film deposited at 750℃ by the MOCVD had transition temperature point, the as-grown films did not show superconducting behaviors. The as grown $BaTiO_3$ film on the Si prevents the outdiffusion of Si toward the $YBa_3Cu_3O_{7-x}$ film, the higher growth temperature promotes chemical reasction of the $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ film and the $BaTiO_3$ resulting in degradation of superconducting properties. Therefore, lowering the deposition temperature and the deposition of the high quality epitaxial $BaTiO_3$ buffer layer are necessary to improve the properties of the $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ superconducting film on $BaTiO_3/Si$ substrate.
본 연구에서는 유기금속화학기상증착법에 의하여 증착된 강유전성 티탄산바륨 ($BaTiO_3$)의 특성과 초전도박막의 증착을 위한 완충층으로써의 $BaTiO_3$ 박막의 역할을 알아보았다. $BaTiO_3$는 자발 분극 특성을 갖는 물질로써 전자 및 광학 소자로 응용되고 있으며 초전도 물질은 전자 및 광학 소자 뿐 아니라 핵융합과 같은 원자력 분야에도 널리 사용될 가능성이 있다. $BaTiO_3$ 박막의 증착에 사용된 기판은 (100)Si, (111)InSb및 인듐 주석 산화물 (indium tin oxide, ITO)이 입혀진 유리였으며 고온초전도체 $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ 박막의 증착을 위하여 $BaTiO_3/(100)Si$ 기판을 사용하였다.
각각의 기판에 600℃ 미만의 온도에서 증착된 $BaTiO_3$ 박막은 핀홀과 같은 결함이 없는 매끄러운 표면을 가지고 있었다. 오제이 전자분광(Auger electron spectroscopy, AES)의 분석 결과 증착된 박막의 조성은 표준시료의 그것과 일치하였으며 막 전체에 걸쳐 조성은 일정하였다. 엑스레이 회절(X-ray diffraction, XRD) 및 단면 투과전자현미경의 분석으로부터 600℃의 온도에서 (100)Si 기판에 증착할 경우 <110> 방향으로 우선 배향된 비정질의 계면층을 갖는 결정상의 박막이 증착되었다. 300℃에서 (111)InSb 증착된 박막은 미세결정을 갖는 비정질의 상이었으며 400℃, 450℃의 증착 온도에서 ITO 유리 위에 증착된 박막은 완전한 비정질상이 증착되었다. 특히 저온에서 (111) InSb 기판에 $BaTiO_3$ 박막이 증착된 경우 증착 초기 단계에서 표면에너지의 효과로 인하여 기판 표면의 결함 등에서 반구형의 3차원의 에피텍시 핵생성이 일어난다.
전기적 특성은 증착된 박막의 전기적 이용 뿐 아니라 초전도체와의 하이브리드 (hybride)를 위하여 매우 중요하다. 상온에서 수행한 유전상수-전압 및 전류-전압 측정으로부터 (100)Si 및 (111)InSb 기판에 증착된 $BaTiO_3$는 전형적인 금속-유전체-반도체(metal-dielectrics-semiconductor,MIS) 구조의 특성을 가지고 있었다. (100)Si에 증착된 박막의 유전 상수는 200이었으며 (111)InSb 기판에 증착된 박막의 유전상수는 30이었다. 이로부터 유기금속화학기상증착법으로 반도체 기판 위에 증착된 티탄산 바륨은 MIS 구조를 갖는 전계효과트랜지스터 및 초전도 완충층으로의 응용이 가능함을 알 수 있었다. 비정질상으로 ITO 유리 위에 증착된 티탄산 바륨은 12.9의 낮은 유전 상수 값을 가졌지만 $2\times10^6V/cm$의 유전강도를 나타내었으며 또한 전형적인 금속-유전체-금속(metal-dielectrics-metal, MIM)구조의 주파수 의존성과 같은 특성을 가졌으며 투과성 및 흡수성의 분석으로부터 얻은 광학적밴드간극 ($E_g$)은 4.71eV였다.
증착된 박막의 정량적 표면 분석을 위하여 원자간척력현미경 (Atomic Force Microscopy;AFM)를 이용하였다. 증착된 박막의 표면구조는 초전도체를 반도체 기판 위에 증착하기 위한 완충막으로서의 가능성을 결정하는 매우 중요한 인자이다. (100)Si, (111)InSb 및 ITO 유리 위에 증착된 박막의 평균 표면 거칠기는 각각 3.5nm, 7.5nm, 2nm였다. 각각의 기판의 초기 표면 거칠기와 증착온도에 따른 증착된 박막의 결정성을 비교하여 보면 유기금속화학기상증착법에 의하여 증착된 티탄산 바륨의 표면 구조는 증착 온도, 사용된 기판의 종류 뿐 아니라 박막 자체의 결정성에 크게 의존함을 알 수 있다.
(100)Si 기판에 증착된 $BaTiO_3$ 박막($BaTiO_3$/Si)위에 $YBa_2Cu_3O_{7-x}$ 박막을 유기금속화학기상증착법에 의하여 750℃와 760℃의 기판 온도로 증착하였다. 760℃에서 증착된 박막은 완전한 반도체 특성을 보였다. 750℃에서 증착된 박막은 (100) $LaAlO_3$단결정 기판 위에 증착된 박막과 같은 온도의 전이점을 가졌으나 저항값이 영이되지는 못하였다. 730℃에서 $PbTiO_3/Si$ 기판에 증착된 박막은 56K 온도에서 저항이 영이 되었다. 이는 비록 티탄산 바륨 박막이 Si와 초전도 박막 간의 상호 확산을 억제할 수는 있지만 고온에서의 증착은 초전도체와 티탄산 바륨 간의 화학 반응을 억제할 수 없음을 의미한다. 따라서 $BaTiO_3$을 완충막으로 이용하기 위하여는 박막 자체의 특성도 중요하지만 초전도체의 증착온도도 낮추어야 하며 박막과 (100) Si 기판 사이에 존재하는 비정질의 계면층을 제거해야 함을 알 수 있었다.
