특성화사업참가결과보고서 작성일 학과전자공학과 참가활동명 EATED 3.0 프로그램지도교수진성훈교수님 연구주제명 Multilayer MoS2 Depletion Load Enabled Photo Sensitive inverters with GaN FE

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래연 설
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특성화사업참가결과보고서 작성일 2017 12. 25 학과전자공학과 참가활동명 EATED 3.

201301151 성명장원 I. OBJECTIVES 본격적인측정에들어가기에앞서 inverter에대한지식이거의전무했고논문을읽는데있어서영어독해능력이부족하였기때문에이에대한학습을초기목적으로잡았다.

그리고논문정리를하는방법과측정한데이터를바탕으로그래프를뽑아내는 origin과같은프로그램들을사용하는것을익혀갔다. 그결과현재차세대반도체이며 TMDC 중하나인 Mo 를이용한많은연구들이있었다.

그중하나로 passive mode에서 photo detector를사용하였을때와비교했을때, photosensitive inverter를사용하여링오실레이터와같은 LFC(Light to Frequency

1 특성화사업참가결과보고서 작성일 학과전자공학과 참가활동명 EATED 3.0 프로그램지도교수진성훈교수님 연구주제명 Multilayer MoS2 Depletion Load Enabled Photo Sensitive inverters with GaN FET drivers 학번 성명장원 I. OBJECTIVES 본격적인측정에들어가기에앞서 inverter에대한지식이거의전무했고논문을읽는데있어서영어독해능력이부족하였기때문에이에대한학습을초기목적으로잡았다. 전자회로책과반도체책, 논문등을읽어보면서기본적인 inverter의원리, 동작특성등을배웠고토익공부를하면서영어독해능력도조금씩키워갔다. 그리고논문정리를하는방법과측정한데이터를바탕으로그래프를뽑아내는 origin과같은프로그램들을사용하는것을익혀갔다. 그결과현재차세대반도체이며 TMDC 중하나인 Mo 를이용한많은연구들이있었다. 그런데그중 single transistors에대한연구는많은보고가있었지만, 응용분야에서실질적인영향이상당할지라도 circuit level에대한보고는별로없었다. 그중하나로 passive mode에서 photo detector를사용하였을때와비교했을때, photosensitive inverter를사용하여링오실레이터와같은 LFC(Light to Frequency Conversion circuit) 회로를구현함으로써 Noise immunity를증가시킬수있었고, 빛에대한정보를주파수에대한정보로바꿀수있는연구들이있었다. 이러한과정중에저는 Photosensitive inverter를연구하게되었다. /* 참고자료 / 그림 1. construction of Enhancement type MOSFET.

2 그림1은 Enhancement type MOSFET의구조를보여준다. 또한 Enhancement type의 N 채널 MOSFET의회로심볼을언급한다. 여기서연속채널은소스에서드레인까지존재하지않는다. 따라서제로게이트전압에서는전류가흐르지않는다. 양전압이게이트에인가되면, 소수성캐리어 ( 즉, 전자 ) 를 P형벌크로부터농축층으로흐르게함으로써채널을유도할것이다. 그림 2. Drain characteristics and Transfer curve of enhancement type of MOSFET(N-channel). 그림2는 Enhancement type MOSFET의드레인특성과전달곡선을보여준다. 그림2에서볼수있듯이드레인전류가흐르기위해서는최소임계전압이필요하다. 이유형의 FET는스위칭애플리케이션에이상적이다. 이는소자를 ' 오프 ' 상태로유지하기위해게이트전압이필요하지않기때문이다. 또한드레인단자와같은극성의애플리케이션으로장치의전원을켤수있다. 그림 3. construction of depletion type MOSFET.

3 그림3은 depletion type MOSFET의구조를보여준다. 또한 depletion type N-channel MOSFET의회로심볼을언급한다. 구조때문에매우높은입력저항 ( 약 ~ ) 을제공합니다. 0 볼트의 에서상당한전류가흐른다. 게이트 ( 즉커패시터한판 ) 가양극이되면채널 ( 즉커패시터의다른판 ) 에유도된양전하가생겨다수캐리어 ( 즉전자 ) 가고갈되고전도도가감소한다. 따라서그림4와같은 JFET가얻어진다. 여기에서게이트는채널과절연되어있다. P-채널 MOSFET 심볼의경우화살표가반전된다. 그림 4. Drain characteristics and Transfer curve of depletion type of MOSFET(N-channel). 그림 5. NMOS inverter with saturated load and driver transistor characteristics and load curve

4 그림 6. NMOS inverter with depletion load and driver transistor characteristics and load curve -To measure and analyze GaN Voltage transfer characteristics 다음으로는이것들을바탕으로 GaN inverter를 probe station으로측정하고, 나온결과그래프에서 Voltage Transfer Charateristic을해석하는것이었다. 책에나와있는이론들을토대로 GaN의 VTC 그래프에서특성들은어떠한지정리했다. -To analyze and compare effect of light illumination in GaN 그리고나서이제빛을준상태에서 GaN inverter와 Mo inverter를측정한뒤에전과같이 Voltage Transfer Charateristic 그래프에서특성들을추출하고분석하였다. 그리고이결과를빛이없는기본상태에서의 GaN, MoS2의 Voltage Transfer Charateristic 측정데이터와비교하여 light가각소자에있어서어떤효과를주었는지, 그리고그변화는어느정도인지를분석했다. 또한전류변화에있어서두소자의차이를그래프에서변화를관찰하여비교하였다. II. TECHNICAL APPROACH inverter 측정을하는데있어서 GaN와 Mo 두개의소자를사용하기때문에 probe station에서 6개의 probe를사용하여측정하였다. 여기서 Load부분의 Drain에 VDD를가하고 Gate와 Source를하나로연결해주는도구를이용하여연결시켜주고또도구를사용해서이부분과 Driver부분의 Drain을하나로연결시켜주고 Vout 단자로정해진다. 그리고 Gate에는 Vin을연결해주고 Source에는그라운드를연결해줘서측정전세팅을맞춰준다. 그러고 6개의프로브를각각의 Drain, Gate, Source에가져다대주고측정을시작한다.

가시광선영역내에있는 Red, Green, Blue 빛은대표적으로 Red(620~750nm), Green(495~570nm), Blue(450~495nm) 와같이가시광선영역내에있는빛으로정하였다.

5 그림 7. 소자에 Red, Green, Blue 순으로빛을쬐준모습 연구하는데있어서중점을둔건소자에빛을가해주고그반응을보는것입니다. 여기서빛은 wavelength가다른여러가지의빛을쐬어주고, inverter에서 wavelength에따른여러가지변화를살펴보는것입니다. 이를위해서연구실에서직접만들어졌던도구를사용하여빛을가해주었다. 그림 8. 가시광선영역내에있는 Red, Green, Blue 빛은대표적으로 Red(620~750nm), Green(495~570nm), Blue(450~495nm) 와같이가시광선영역내에있는빛으로정하였다. 도구에서는빨강, 초록, 파랑에해당하는 LED전구를끼워주면서색깔별로빛을낼수있고, probe station에맞추어서제작하였기때문에, probe station에장착하면은일정한세기와일정한각도로소자에빛을가해줄수있다. 이렇게해서 Dark일때부터시작해서 Red, Green, Blue 순으로일정한주기를두고 4155B 장비를통해측정하였다.

6 ELED type inverter는 Load 부분에해당하는 MOS의 Drain단자와 Gate단자를묶어서구현시킬수있고 DLED type inverter는 Load 부분에해당하는 MOS의 Source단자와 Gate단자를묶어서구현시킬수있다. 여기서 ELED type inverter 같은경우에는 Load의 Drain단자와 Gate 단자가묶여있기때문에 saturation 상태만존재하게되고그림4 좌측그림에서와같이 VTC 그래프의기울기가엄청완만하게나와서출력전압이매우느리게떨어지는것을볼수있그림 9. ELED, DLED회로다. 반면에 DLED type inverter 같은경우에는 Load의 Source 단자와 Gate 단자가묶여있기때문에 saturation, triode 상태가존재할수있다. 그림 4 우측그림을보시면입력전압이 0.8V 정도되는부분에서출력전압이퐉떨어지 는것을볼수있다. 따라서 ELED 보다는 DLED type 일때가 inverter 특성이더좋은것을 알수있습니다. 따라서 DLED 를사용하게되었다. Ryu et al., IEEE Electron Device Lett., 38, 67 (2017) 그림 10. VTC 그래프 ( 좌 : ELED, 우 : DLED) 그림 11. GaN 의

7 그림 5에서볼수있듯이 GaN의 가 Mo 의 보다더큰것을볼수있다. 따라서이전의연구에서는 Driver의 Mo 에 Light Shielding layer을사용하여빛에대한반응을억제하여 Photo-leakage current를줄였지만, 이번연구에서는 Driver에 Mo 대신에에너지밴드갭이더큰 GaN를사용함으로써 Light Shielding layer을사용하지않고도빛에대한반응을막음으로써 Photo-leakage current 줄일수있는지확인해보려한다. III. TECHNICAL ACCOMPLISHMENTS 그림 12. Load-line analysis 그림6의좌측그림은 Load의 그래프와 Driver의 그래프를같이나타낸그래프이다. 이두개의그래프가겹치는점인동작점을찾아서우측그림과같이 VTC를뽑아내어그래프를그린것이다. 그림 13. Overlap(VTC + Load-line) 그림7은측정데이터를통해뽑아낸 VTC그래프와그림6에서 Load-line 분석을통해뽑아낸 VTC그래프를겹쳐서나타낸그래프이다. overlap그래프를봤을때약간의 Vth 차이는있지만이것은측정동안의 Gate bias 스트레스에의해기인한것이고, 이것을제외하고는둘의그래프가개형이일치하는것을보아저희가예상한메커니즘대로회로가동작했다는것을입증한다.

그림 14. Driver with LS layer( 좌 ), Driver with GaN( 우 ) 좌측그림은 Vin과 VDD를 3V를주었을때 Light Shielding layer를가진 Mo 를사용한 Driver의 VTC 측정그래프이다. 빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 그래프가우측으로이동하는것을볼수있다. 또한 Vin이 0.

8 그림 14. Driver with LS layer( 좌 ), Driver with GaN( 우 ) 좌측그림은 Vin과 VDD를 3V를주었을때 Light Shielding layer를가진 Mo 를사용한 Driver의 VTC 측정그래프이다. 빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 그래프가우측으로이동하는것을볼수있다. 또한 Vin이 0.7V정도가되었을때, 전압의 switching이빠른속도로일어나며 Blue를제외하고는 Vmin이 0V에가깝기때문에 inverter 특성이좋은것을볼수있다. Blue Light 의경우에는, 빛의파장이짧기때문에 ( 즉빛의에너지가크기때문에 ) Load 쪽에상대적으로더큰전류가흐르게되고, Load쪽과같은전류를맞춰주기위해서 Driver쪽에더많은전압이필요하기때문에 Red와 Green에비해서 switching 할때더큰전압이필요하다. 우측그림은 Vin과 VDD를 3V를주었을때에너지밴드갭이큰 GaN를사용함으로써 Light Shielding layer를가질필요가없는 Driver의 VTC 측정그래프이다. 빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 그래프가우측으로이동하는것을볼수있습니다. 또한 Vin이 1.5V정도가되었을때, 전압의 switching이빠른속도로일어나며 Blue도 Vmin이 0V에가깝기때문에 inverter 특성이좋은것을볼수있다. Blue Light 의경우에빛의파장이짧기때문에 ( 즉빛의에너지가크기때문에 ) Load쪽에상대적으로더큰전류가흐르게되고, Load쪽과같은전류를맞춰주기위해서 Driver 쪽에더많은전압이필요하기때문에 Red와 Green에비해서 switching 할때더큰전압이필요한게맞지만에너지밴드갭이큰 GaN를사용함으로써 Blue일때필요한전압을거의낮춰버렸다. 좌우, 두그래프를비교해봤을때, GaN 의경우가 Blue 에서의 switching 능력이더뛰어 난것을알수있다. IV. REPRESENTATIVE RESULTS

그림 15. Driver with LS layer( 좌 ), Driver with GaN( 우 ) 좌측그림은 Light Shielding layer를가진 Mo 를사용한 Driver의 측정그래프이다. 빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 전류가증가하여그래프가조금씩위로가는것을볼수있다.

빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 전류가증가하여그래프가조금씩위로가는것을볼수있다. 또한 off영역에서의 Photo-leakage current가거의흐리지않는것을보았을때빛에의해전류가많이증가하지않는것을볼수있다. 그리고 on영역에서의전류의증가가 [A] 까지올라가는것을볼수있다.

9 그림 15. Driver with LS layer( 좌 ), Driver with GaN( 우 ) 좌측그림은 Light Shielding layer를가진 Mo 를사용한 Driver의 측정그래프이다. 빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 전류가증가하여그래프가조금씩위로가는것을볼수있다. 또한 off영역에서의 Photo-leakage current가거의흐리지않는것을보았을때빛에의해전류가많이증가하지않는것을볼수있다. 그리고 on영역에서의전류의증가가 [A] 까지올라가는것을볼수있다. 우측그림은에너지밴드갭이큰 GaN를사용함으로써 Light Shielding layer를가질필요가없는 Driver의 측정그래프이다. 빛을쬐어줬을때 ( 그리고빛의파장이짧으면짧을수록 ) 전류가증가하여그래프가조금씩위로가는것을볼수있다. 또한 off영역에서의 Photo-leakage current가거의흐리지않는것을보았을때빛에의해전류가많이증가하지않는것을볼수있다. 그리고 on영역에서의전류의증가가 [A] 까지올라가는것을볼수있다. 좌, 우그래프를바탕으로볼때 GaN 를사용함으로써 Mo 일때썻던 Light Shielding layer 를증착할필요가없게됨으로써공정과정에서의비용이줄어들게되고 on 영역에서 의전류도더증가될수있는성과가있었다. V. FURTHER STUDY (NEXT PLAN) 이번 EATED 프로그램을통해 Photosensitive inverter 를알게되었고 Mo, GaN, CNT 등다른소자들로도하여소자에따른 Photosensitive inverter 의특성도살펴보았다. 이

10 제이를바탕으로더나아가 KCS, STAR, ENTER 등해볼수있으면해볼예정이다. 또한 Photosensitive inverter는이황화몰리브데늄이외에도다양한전이금속칼코겐화합물기반의광센서-집적화회로기술의가능성을보여준다는점에서큰의미가있다. 향후이기술을기반으로광센서, 바이오메디컬이미징, 비디오레코딩및분광학등다양한광전자응용분야에활용될수있을것이다. 우선이론적으로부족한부분을채우기위해 photosensitive, inverter와관련된내용들의논문을여럿찾아볼것이다. 그리고 pspice 프로그램을더연습하여서 oscilator 관련해서회로를짜보고 simulation을해볼려고한다. 또한 TCAD와 Rhinoceros를익혀 3D구조를그리는것과소자 simulation도배워볼려고한다. 그리고그동안반도체를배우면서, 책에서나오는내용들중자세히살펴보지않고넘어간부분이많았습니다. 방학동안교재를다시한번공부하면서부족했던부분과공부하지않았던식이나개념들에대해서조금더보충을하려고한다. 반도체이외에도전자회로책을살펴봄으로써 inverter의다른부분들도더보충해볼려고한다. 앞으로의방향성에대해서는, inverter와빛반응에대해서배웠기때문에차후연구실에서다른차세대소자를직접만들게될경우이소자의 inverter특성과빛반응에대한것을맡게될것같습니다. 혹은 oscilator와연관하여빛을주파수에대한신호로바꿀수있는연구를해볼것같다. 아니면연구실에서학부생들이지금 CNT와 TMDC 2분야로나뉘어져있는데, 저는 TMDC에속하기때문에앞으로가능성이보이는다른 TMDC소자들의성능을검증하는쪽으로연구를할수도있다. 혹은온도에따른 inverter를연구를할수도있을것같다. 또한반도체는아직도연구해야할분야가무궁무진하므로 mobility 향상이라던지 CVD 공정, on-off ratio 향상, Resistance 추출등다른분야에대해서공부할것이다. ( 이를위해서반도체공정기초과목을 3학년 2학기에수강하였고, 이과목에서깊진않지만 TCAD프로그램도약간배우게됐다 ) 4학년 1학기에는이제통신쪽은거의생각하고있지않기때문에, 고체전자과목정도만듣고반도체로진로를정할것같다. <Reference> [1] S. H. Jin, G. W. Baek, S. J. Yu, S. G. Seo, and J. H. Ryu, "Photosensitive Full-Swing Multi-Layer MoS2 Inverters With Light Shielding Layers "IEEE Electron Device Lett., vol. 38, no. 1, pp , Dec. 2016, doi: /LED

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Microsoft PowerPoint - Ch8 Ch. 8 Field-Effect Transistor (FET) and Bias 공핍영역 D G S 채널 8-3 JFET 바이어스 자기바이어스 (self-bias) R G - 접지로부터 AC 신호를분리 I D I G = 0 G = 0 D I D I S S = I S R S I D R S S I S = G - S = 0 I D R S = - I D R S D