특성화사업참가결과보고서 작성일 2017 12. 22 학과전자공학과 참가활동명 EATED 3.0 프로그램지도교수진성훈교수님 연구주제명 Low Frequecy Noise Characteristic of Semicoductig Carbo Naotube Network Trasistors Ecapsulated by SU8 Layer 학번 201201164 성명신경 I. OBJECTIVES EATED 3.0을시작하면서반도체소자시간에배운 MOSFET와는다르게생긴트랜지스터구조들을많이보게되었습니다. Back Gate 구조라던지, TMDC라는생소한반도체물질들을교수님이방학초기에주신논문들을읽으며공부하였습니다. Passivatio 과같은개념과장비를사용하여 I-V특성을분석하는방법, 장비사용법등을먼저공통적인주제로삼고연구실의모든학생들이같이진행하였습니다. 제연구테마는 Low Frequecy Noise를분석하는것이었습니다. 더블 log 그래프에서 Spectral Desity 의값이약 1kHz 영역전까지 Frequecy 에반비례하여감소하는것을볼수있는데, 이를통해 Noise 모델을판별하고특성을분석하는연구입니다. 이를통해 trap의영향, dielectric 의관련성등장기적인신뢰성분석이가능한좋은테마입니다. 그림 1. 1/f Noise 를보여주는 graph
1/f Noise의대표적인모델로는 Δ model, Δɥ model이존재하는데 J=qɥE 일때 q와 E가고정되어있다면전류는 carrier umber 와 mobility 에따라변화하므로두가지모델로설명이가능합니다. carrier umber fluctuatio 에의한 모델의경우 Charge Trappig-Detrappig 으로인해 Noise가발생하고, mobility fluctuatio 모델의경우에는 Carrier Scatterig 에의해발생하게됩니다. 그림 2. Represetative 1/f oise mode Subtreshold, Liear, Saturatio 의세영역에서 model에따라 Spectral desity의수식이달라집니다. 이때 (1) Gate overdrive voltage 와 Spectral desity 와의관계또는, (2) Drai curret와 Spectral desity와의관계를통해소자가어떠한 model을따르는지분석이가능합니다. Origi 이나다른프로그램을사용하여 fittig 하고기울기를보며분석할수있습니다. 이때그림 3과같이 모델의경우에는 NT라는 Trap detsity 로표현이가능한데이는 모델은 trap의영향이크기때문인것같습니다. Δɥ 모델의경우에는 hooge's parameter 라는 1/f Noise분야의학자인 Hooge의이름을딴고유한 parameter 가존재하여이를통하여 Δɥ 모델의전류, 저항, 전압등의다양한공식에사용될수있습니다. 그림 3. Δ model, Δɥ mode 의각영역별수식관계
* 그림 1 - Hybrid Itegratio of Magetoresistive Sesors with MEMS as a Strategy to Detect Ultra-Low Magetic Fields João Valadeiro, Susaa Cardoso.. * 그림 2,3 - 직접작성 II. TECHNICAL APPROACH Low Frequecy Noise측정을위해서는소자를올려놓고전압을걸어주면서전류를측정해줄 Probe Statio 과, 전압을걸어줌과동시에 Low Noise curret 를증폭시켜줄 SR570, Noise 파형을분석해줄 Noise Aalyzer 가필요합니다. 먼저 Probe Statio 으로소자의기본적인 I-V특성을확인하고, Output Curve 또한확인합니다. 소자가측정할만하면 SR570 으로전압을주면서 Noise를약 50회측정하여평균을기록합니다. 그림 4. SR570(Low Noise Curret Amp), 35670A(Noise Aalyzer) 다음으로 1/f Noise를측정할때 Probe Statio으로전압을주기시작합니다. 이후바로 Drai 전압을가해주는것이아니라소자가안정될때까지 10초가량여유를준후 Drai 전압을가해줍니다. 전압을가해준후전류의그래프를보면서전류가안정될때까지약 20~30초간의텀을준후 Noise측정을시작합니다. 50회의 Noise측정이끝나면 Drai 전압을주는것을멈추고 Probe Statio을멈춥니다. 이방법을자신이원하는영역별, 전압범위에서 Gate전압과, Drai전압을변경해가며측정하게됩니다. 그림 5. Probe Statio
* 그림 4 - 연구실장비촬영본 ( 인천대학교공과대학 ) * 그림 5 - http://jeiltras.co.kr/bbs/board.php?bo_table=br_06&wr_id=4(sndl facilities) III. TECHNICAL ACCOMPLISHMENTS 측정이끝나면데이터가텍스트파일로저장됩니다. 디스켓을사용하여데이터를가져온후 EXCEL에넣어분석을진행합니다. 측정한 gate전압과측정된전류값을넣고 10Hz부터측정된값을넣어주게됩니다. 그리고 Sesitivity 나전류, 전압의관계에따라얻고자하는데이터를얻게됩니다. 이값을 Origi 을사용하여 fittig 하면원하는 Graph 를얻고 1/f Noise의모양을따르는지따르지않는지를판단할수있습니다. Liear 영역 VG -1-1.2-1.4-1.6 VD -0.5-0.5-0.5-0.5 sesitivity 1.00E-06 1.00E-06 1.00E-06 1.00E-06 curret 1.87E-07 2.30E-07 2.71E-07 3.09E-07 V2/Hz 1.00E+01 3.51E-10 4.54E-09 5.01E-09 6.41E-09 1.10E+01 2.40E-09 4.08E-09 4.20E-09 6.23E-09 1.20E+01 2.10E-09 3.57E-09 3.97E-09 6.33E-09 1.30E+01 1.87E-09 3.43E-09 3.63E-09 5.99E-09 1.40E+01 1.68E-09 3.39E-09 3.02E-09 5.19E-09 1.50E+01 1.58E-09 3.31E-09 2.39E-09 4.48E-09 1.60E+01 1.49E-09 2.87E-09 2.07E-09 3.98E-09 표 1. EXCEL로 1/f Noise를분석한표 ( 예시 ) 그림 6. Origi 을통한 1/f Noise 분석
제연구에서는 Carbo Naotube 를채널로사용한트랜지스터의채널 Noise가 domiat한지 Cotact Noise가 domiat한지를보는것이목표였습니다. CNT는채널이공기의수분이나산소에의해잘침투되기때문에 Hydrophobic 한 SU8 Layer를 ecapsulatio 하여채널에다른물질의영향을최소한으로만들려는목표를가지고진행했습니다. 이를위해각 Legth 별로 I-V특성, low frequecy oise 특성등을측정한후 SU8 Layer 를 Passivatio 하여다시측정하고그결과를비교해보려는실험을계획했습니다. 그림 7. SU8 Ecapsulatio Cotact Noise와 Chael Noise중어떠한 Noise가 Domiat 한지를구분하는방법으로는 legth 와 Spectral desity 의관계로판단하는방법이있습니다. 먼저 Spectral desity 가 Legth 에반비례한다면 Chael Noise가 Legth 의제곱에반비례한다면 Cotact Noise가 1/f Noise의영향을더많이준다고볼수있습니다. 이결과는채널저항과 Cotact 저항을이용한식으로구할수있습니다. 그림 8-1. Spectral Desity 와 Gate Legth 의관계
그림 8-2. Spectral desity, Legth 관련수식 * 그림 8-1 - "Low-frequecy oise i cadmium-seleide thi-film trasistors" M. Jamal Dee, S. L. Rumyatsev, D. Ladheer ad D.-X. Xu * 그림 8-2 - "Modelig ad Characterizatio of Petacee Orgaic Thi Film Trasistor " Dr. M. S. Shur, Dr. I. B. Bhat... IV. REPRESENTATIVE RESULTS 측정과분석결과 100um legth에서 500Hz영역부터 Noise가튀는현상을보이긴하지만전체적으로 1/f Noise 모델을잘따른다고할수있습니다. 또한 Passivatio 전, 후모두 Drai curret 와 Spectral desity 의기울기가약 1로 mobility fluctuatio 모델을따른다고볼수있습니다. I-V Curve 를보면전류값은전체적으로증가하였고, Hysteresis 갭은줄어든것을볼수있었습니다. 이는채널에서발생하는 Noise가감소하였기때문이라고도볼수있습니다. 그림 9. Passivatio 전과후의 I-V Curve
그림 10. SU8 Passivatio 전과후 1/f Noise 의파형을잘따르는그래프
그림 11. Passivatio 전과후의 Spectral Desity Passivatio 전과후모두 mobility fluctuatio 모델을따르고 1/f Noise의파형을잘따르는것을확인하였으니, 다음작업으로는 Chael Noise와 Cotact Noise중어느것이 domiat한지를알아보기위해 Legth별로 Spectral desity를 fittig해보았습니다. 이때 10Hz에서얻어진값을사용하였고, gate 전압은 -1.2V 에서분석하였습니다. 결과적으로 Passivatio 전과후모두에서채널 legth 에반비례하는기울기를보였습니다. 즉채널에서발생하는노이즈가 Cotact 시발생하는노이즈보다더주요하다는것을알수있었습니다. 이것은 CNT의특성상채널에물질의침투가쉽기때문이라고판단됩니다. 두그래프를합쳐서비교하여보니 SU8 Passivatio 후의 Noise level이상당히감소한것을알수있었습니다. 이또한산소나물과같은공기중의물질이채널에침투하는것을막아주었기때문이라고판단됩니다.
그림 12. Passivatio 전과후 Spectral Desity vs Gate Legth 그림 13. Passivatio 후의 Noise Level 의감소를보여주는그래프
V. NEXT PLAN SWNT(Sigle-Walled CarboNaotube) 에대한연구를진행하면서 legth 별로측정을진행하였는데 30um, 50um, 100um 를측정해보았습니다. 이때 passivatio 전의소자를측정한후같은소자에 SU8 Layer 를덮고측정하는방법을사용했습니다. 비교적결과가 graph상으로잘나오기는하였지만 data poit가 3개의 legth 뿐이라는점은아직결과를신뢰하기에부족하다고판단됩니다. 따라서 SU8 passivatio 을한 SWNT 에대해추가적인실험으로는 Legth 를 10um, 20um, 200um 등을추가로측정하여데이터포인트를늘려연구의신뢰성을높이는방법이있겠습니다. 또한 Passivatio 전과후의 Parameter(mobility, Subtreshold Swig, Vth 등 ) 를추출하여특성을비교, 분석하는연구와현재 Liear 영역을주로측정하였는데 Subtreshold 영역이나 Saturatio 영역도측정해보아야할것입니다. SWNT 는채널 Noise의영향이 Domiat 한것으로나타났기때문에이를해결하기위해채널의 Noise를감소시키는방법또한연구되면미래 SWNT 를활용함에있어많은도움이될것이라고생각합니다. 저는 EATED 3.0에참여하여연구를진행하고, 논문을읽고, 중간발표, EE Festival 등여러활동을하면서다양한발전이있었던것같습니다. PPT를논리적이고체계적이게만드는방법, 프레젠테이션에대한자신감등이생겼습니다. EATED 3.0이끝나고 4학년이되고취업을하게되더라도프로그램에참여하며쌓았던경험과기술들이큰강점이될것이라고생각합니다. 남은겨울방학과 4학년학교생활이제자기계발과학업에더욱열심히노력해야할것입니다.