Extraction of the density of states and device modeling of the double-gate oxide thin-film transistor and the ovonic threshold switch = 이중 게이트 산화물 박막 트랜지스터와 오보닉 임계 스위치 소자의 상태 밀도 추출 및 모델링

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In high-density, low-power display and nonvolatile memory systems, the subgap density of states (DoS) in the channel and selector materials governs the threshold voltage, ON current, subthreshold characteristics, bias-stress reliability, and threshold-switching behavior. Nevertheless, for double-gate IGZO thin-film transistors (TFTs) and chalcogenide-based Ovonic threshold switches (OTSs), a systematic framework is still lacking. Existing studies do not provide a methodology to extract the subgap DoS over the full energy range using purely electrical measurements. They also do not establish a one-to-one correspondence between the extracted DoS and the bonding configurations predicted by ab-initio calculations. Furthermore, the DoS information has not been consistently embedded into TCAD and compact models to quantitatively describe device- and circuit-level characteristics. This dissertation aims to fill this gap by proposing full-range electrical DoS extraction techniques for double- gate oxide TFTs and two-terminal OTS devices, experimentally validating ab-initio-based correlations between bonding configurations and DoS, and internalizing the unified DoS model into TCAD as well as numerical and analytical models to quantify its impact on device and circuit behavior. For double-gate IGZO TFTs, a measurement and analysis procedure is established that exploits a structure with independently driven top and bottom gates to perform photo-induced C–V/I–V mapping and simultaneously extract the subgap DoS and interface potentials at both gate stacks. Top- and bottom- gate C–V characteristics, multi-wavelength photo I–V, and dark I–V data are mapped onto a two- dimensional potential–energy space, enabling the separate extraction of conduction-band tail states, deep bulk traps, and gate-insulator (GI) interface traps at the top and bottom interfaces. The resulting optical energy map is validated by comparison with C–V simulations using TCAD, and the same data set is used to consistently determine the channel doping concentration and band mobility. The extracted IGZO DoS together with the trap, doping, and mobility parameters are directly implemented in a double-gate TCAD simulator, which reproduces the initial I–V characteristics and the reliability behavior— including the threshold-voltage shift and saturation time after positive bias stress (PBS)—within a 10% error margin. In addition, a virtual library (Virtual LIB) is constructed by systematically scaling oxygen-related DoS terms and hydrogen-related trap/doping terms to define six representative combinations of oxygen-poor/middle/rich and hydrogen-poor/rich conditions. For each condition, the threshold voltage, post-stress ΔVT, and ON current are compared. From this analysis, it is quantitatively shown that, in terms of the VT–ΔVT slope, a hydrogen-poor and oxygen-deficient condition is advantageous, whereas for maximizing ION under double-gate operation, a hydrogen-poor and oxygen-rich condition is optimal. These results provide concrete design guidelines. For chalcogenide OTS devices, this work proposes a combined DoS extraction methodology based on space-charge-limited current (SCLC) analysis, capacitance–frequency (C–f) measurements, and multi-wavelength photo I–V for two-terminal devices with Ge₀.₃Se₀.₇ and GeAsSe₄ compositions. By jointly analyzing the trap-filled-limited current regime, the frequency dependence of capacitance, and the photon-energy dependence of photocurrent, the full-range DoS from band-tail states to deep traps is extracted electrically. The energy-resolved DoS is then compared with ab-initio predictions for Ge– Ge, Ge–Se, and Ge–As bonding configurations, thereby identifying the microscopic origin of each energy level. Using the extracted OTS DoS as input, a one-dimensional numerical hopping-transport model is constructed. By solving a master equation that accounts for local carrier occupation and percolation pathways, the model reproduces the negative differential resistance (NDR) regime and the ON-state current as functions of applied voltage and temperature. Within this framework, hopping-related parameters such as the initial fermi level EF0, hopping distance a, and the attempt-frequency-related prefactor I0 are consistently extracted from measured I–V characteristics. Building on these results, an analytical compact model is derived that incorporates hopping transport and self-heating, and describes the OFF, NDR, and ON regimes within a single closed-form expression, achieving high fidelity with both the numerical model and experimental data. Finally, the proposed DoS-based Technology Computer-Aided Design (TCAD) and compact models are used to simulate memory and selector operation that integrates double-gate IGZO TFTs with chalcogenide OTS devices, thereby establishing a unified co-design framework that links materials, process conditions, device behavior, and circuit performance. The methodology developed in this dissertation is readily extendable to the broader IGZO-based oxide transistor family and various chalcogenide selectors. By enabling subgap-DoS-based physical parameter extraction and providing quantitatively grounded design guidelines, it is expected to contribute to enhanced reliability and energy efficiency in next-generation display driver circuits and ultra-high-density memory arrays.

국문 초록 (Abstract)

고집적·저전력 디스플레이 및 비휘발성 메모리 시스템에서는 채널 및 셀렉터 재료의 subgap 상태 밀도(DoS)가 문턱전압, 온전류, 서브스레시홀 특성, 바이어스 스트레스 신뢰성, 임계 스위칭 동작을 지배한다. 그럼에도 불구하고, 더블게이트 IGZO 박막 트랜지스터와 칼코게나이드 기반 Ovonic 임계 스위치(OTS)에 대해서는 전기적 측정만을 이용해 전 에너지 범위의 subgap DoS 를 추출하고, 이를 ab-initio 계산에서 예측된 결합 구조와 1:1 로 연결하며, TCAD 및 compact 모델에 통합하여 소자·회로 특성을 정량적으로 기술한 체계적인 프레임워크가 부재하였다. 본 학위 논문은 이러한 공백을 해소하기 위하여, 더블게이트 산화물 TFT 와 2 단자 OTS 에 대한 full-range DoS 전기적 추출 기법을 제안하고, ab-initio 기반 결합–DoS 상관관계를 실험적으로 검증하며, 통합된 DoS 모델을 TCAD 와 수치·해석 모델에 내재화하여 소자 및 회로 특성에 미치는 영향을 정량화하는 것을 목표로 한다.
더블게이트 IGZO TFT 의 경우, 상·하부 게이트를 독립적으로 구동할 수 있는 구조를 기반으로 광유도 C–V/I–V 매핑을 수행하여 상·하부 계면 전위와 subgap DoS 를 동시 추출하는 절차를 확립하였다. Top·bottom C–V 와 다파장 광 I–V, 암 I–V 를 2 차원 전위–에너지 공간으로 사상하여, 전도대 꼬리 및 깊은 트랩, 산화막 계면 gate insulator (GI) 트랩을 상·하부 면에서 분리 추출하였다. 이러한 광학적 에너지 매핑 결과는 TCAD 를 이용한 C–V 시뮬레이션과 비교함으로써 검증하였고, 동일 데이터 세트로부터 채널 도핑 농도와 밴드 모빌리티를 일관되게 산출하였다.
추출된 IGZO DoS 및 트랩·도핑·모빌리티 파라미터는 더블게이트 구조의 TCAD 시뮬레이터에 직접 입력되어 초기 I–V 특성과 positive bias stress(PBS) 이후의 문턱전압 이동과 포화 시간까지 포함한 신뢰성 특성을 10% 이내 오차로 재현하였다. 또한, 산소 관련 DoS 항과 수소 관련 트랩·도핑 항을 체계적으로 스케일링한 가상 라이브러리(Virtual LIB)를 구축하여, Oxygen-poor/middle/rich 와 H-poor/rich 조합에 따른 여섯 가지 조건을 정의하고, 각 조건에서 문턱전압, 스트레스 후 ΔVT, 온전류를 비교하였다. 이를 통해 VT–ΔVT 기울기 관점에서는 수소 농도가 낮고 산소가 부족한 조건이 유리하며, DG 구동에서 ION 향상을 극대화하기 위해서는 수소가 낮으면서 산소가 풍부한 조건이 최적이라는 설계 지침을 정량적으로 제시하였다.
칼코게나이드 OTS의 경우, Ge0.3Se0.7와 GeAsSe4 조성의 2단자 소자를 대상으로 Space-Charge-Limited Current (SCLC), capacitance-frequency(C-f) 측정, 다파장광 I–V 를 결합한 DoS 추출 기법을 제안하였다. Trap-filled-limited 전류 구간, 주파수 의존 커패시턴스, 광자 에너지에 따른 광전류 변화를 통합 분석하여, 밴드 테일부터 심층 트랩까지 포함하는 full-range DoS 를 전기적으로 추출하였고, 이를 ab-initio 계산이 예측하는 Ge, Se, As 간의 결합과 비교함으로써 각 에너지 레벨의 기원을 규명하였다.
추출된 OTS DoS 를 입력으로 하는 1 차원 호핑 수송 수치 모델을 구축하여, 국소 전자 농도와 퍼콜레이션 경로를 고려한 master equation 을 풀어 게이트 전압 및 온도에 따른 negative differential resistance(NDR) 영역과 ON 상태 전류를 재현하였다. 이 과정에서 EF0, 호핑 길이 a, 시도 주파수에 대응되는 I0 등 호핑 관련 파라미터를 실측 I–V 로부터 일관되게 추출하는 절차를 마련하였다. 이어서, 호핑 수송과 자가 발열을 고려한 해석 compact 모델을 도출하여 OFF, NDR, ON 영역을 단일 폐형식으로 기술하고, 수치 모델과 실측 결과에 대해 높은 정합성을 확보하였다.
마지막으로, 제안된 DoS 기반 Technology Computer-Aided Design (TCAD) 및 compact 모델을 이용하여 더블게이트 IGZO TFT 와 칼코게나이드 OTS 를 포함하는 메모리 및 셀렉터 동작을 모사하고, 재료–공정–소자–회로로 이어지는 연계 설계 프레임워크를 제시하였다. 본 논문에서 확립한 방법론은 IGZO 계열 산화물 트랜지스터와 다양한 칼코게나이드 셀렉터로 손쉽게 확장 가능하며, subgap DoS 에 기반한 물리 파라미터 추출과 설계 지침 제시를 통해 차세대 디스플레이 구동 회로 및 고집적 메모리 어레이의 신뢰성과 에너지 효율을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Characteristics of DG IGZO TFTs and origin of IGZO DoS 1
• 1.2 Characteristics of chalcogenide based OTS and origin of DoS 3
• 1.3 Limitations of DoS extraction in DG structures and two-terminal structures 5
• 1.4 Motivation 6
• CHAPTER 2. DENSITY OF STATES(DOS) EXTRACTION METHOD 7
• 2.1 Fabrication process of DG IGZO TFT samples 7
• 2.2 DoS extraction procedure and results for DG IGZO TFTs 8
• 2.3 Fabrication process of OTS samples 17
• 2.4 DoS extraction procedure and results for OTS samples 17
• CHAPTER 3. TCAD MODELING OF DOUBLE-GATE OXIDE TFT BASED ON DOS 25
• 3.1 TCAD parameter extraction procedure for DG IGZO TFTs 25
• 3.2 Analysis of extracted TCAD parameters 29
• 3.3 Development and application of virtual TCAD library 33
• CHAPTER 4. MODELING OF OTS DEVICES BASED ON DENSITY OF STATES DOS 35
• 4.1 Model parameter extraction procedure for OTS 35
• 4.2 Numerical modeling of OTS devices 39
• 4.3 Analytical modeling of OTS devices 40
• 4.4 Analysis of OTS characteristics as function of Ge–Se–As composition ratio 46
• CHAPTER 5. SUMMARY 48
• REFERENCE 50
• SUMMARY IN KOREAN 56
• CURRICULUM VITAE 59