이중 게이트 동작을 기반으로 정밀 조정된 임계 전압 및 재구성 가능한 ZnON 트랜지스터의 논리 동작 = Threshold Voltage Engineering for Logic Reconfigurability in Dual-Gate Zinc Oxynitride Transistors

국문 초록 (Abstract)

박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)는 다양한 기판과 높은 호환성 및 저온 공정 가능성을 바탕으로 차세대 전자소자의 핵심 플랫폼으로 활용되고 있다. 특히 금속 질산화물(Metal Oxynitride) 기반 채널은 높은 이동도와 공정 안정성을 바탕으로 응용 범위를 넓혀가고 있다. 본 학위 논문에서는 질소가 도입된 아연 질산화물(Zinc Oxynitride, ZnON)을 채널로 사용하는 듀얼 게이트 박막 트랜지스터(Dual Gate Controlled ZnON Thin Film Transistor, DGC-TFT)를 제작하였다. DGC-TFT를 이용해 상부와 하부 게이트의 독립적인 구동을 통해 임계 전압(Threshold Voltage, VTH)을 미세하게 조절할 수 있는 구동 특성과 그 물리적 동작 메커니즘을 체계적으로 규명하고자 하였다.
제작된 DGC-TFT는 하부 이산화규소(Silicon Oxide, SiO2)와 상부 Parylene으로 구성된 비대칭 듀얼 게이트 절연막 구조를 가지며, 상부와 하부 게이트 전압 조합에 따라 VTH의 선형적으로 변화하는 특성을 보였다. 하부 게이트 전압을 단계적으로 변화시키며 상부 게이트를 스윕한 결과, 평균 약 1.46 V 범위의 VTH 이동이 관찰되었고, 반대로 상부 게이트를 고정한 상태에서 하부 게이트를 스윕했을 때는 약 0.73 V 수준의 VTH 이동을 확인하였다. 저주파 잡음(Low Frequency Noise) 분석과 임계 전압 이하 스윙(Subthreshold Swing, SS)로부터 추출한 계면 트랩 밀도를 비교하여, 비대칭 게이트 절연체에 의한 각 계면에서의 영향을 정량적으로 평가하였다. 더 나아가 유한 요소 시뮬레이션을 통해 상부 및 하부 게이트 전압 조건에 따른 채널 내 전자 농도 분포와 전위 분포를 계산하고, 공핍 상태, 단일 채널 상태, 이중 채널 형성 상태로 전이하는 과정을 규명하였다. 이를 바탕으로 상부 및 하부 게이트 전압과 채널 등가 전위 사이의 정전용량 모델을 수립하고, 실험에서 관찰된 VTH와 게이트 전압 사이의 관계를 해석하는 VTH 모델을 제안하였다.
응용 측면에서는 n형 DGC-TFT를 유기 p형 DNTT TFT와 결합하여 상호보완형 인버터 회로를 구현하고, 상부 게이트를 제어 입력으로 활용하여 인버터의 전압 전달 특성(Voltage Transfer Curve, VTC) 스위칭 지점을 조절할 수 있음을 보였다. 또한 DGC-TFT 단일 소자에 상부와 하부 게이트 전압을 적절히 정의함으로써 AND, OR, NAND, NOR의 네 가지 기본 논리 게이트를 모두 구현하고, 임계 전류값을 기준으로 논리값 LOW(0)과 HIGH(1)을 명확히 구분할 수 있는 충분한 전류 마진값을 확보하였다. 하나의 소자에서 다중 논리 기능을 구현할 수 있는 재구성 가능 논리 소자로서의 가능성을 제시함으로써, 고집적 회로 설계에 유용한 기반을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 산화물 반도체 1
• 1.2 Zinc Oxynitride 4
• 1.3 듀얼 게이트 트랜지스터 5
• 1.4 TCAD 시뮬레이션 6
• 1.5 논리 동작 8
• 1.5.1 인버터 동작 원리 8
• 1.5.2 논리 게이트 회로 동작 원리 15
• 제2장 DGC-TFT 제작 과정 19
• 2.1 DGC-TFT 제작 과정 19
• 제3장 DGC-TFT 특성 분석 21
• 3.1 DGC-TFT 전기적 특성 21
• 3.2 DGC-TFT 박막 특성 34
• 제4장 TCAD 시뮬레이션 40
• 4.1 시뮬레이션 40
• 4.1.1 시뮬레이션 40
• 4.1.2 공핍 모드 동작 41
• 4.1.3 단일 채널 동작 43
• 4.1.4 이중 채널 동작 45
• 제5장 듀얼 게이트 기반 논리 회로 동작 48
• 5.1 인버터 회로 동작 48
• 5.1.1 DNTT TFT 전기적 특성 48
• 5.1.2 제어 입력 조정을 통한 인버터 동작 52
• 5.1.3 인버터 동작 신뢰성 평가 56
• 5.2 듀얼 게이트 기반 논리 회로 동작 59
• 제6장 결 론 68
• 참고문헌 70
• 부록 76
• ABSTRACT 77