Contact Metal Optimization for ECRAM: A Focus on W Metal Oxidation and Contact Resistance

김주희 포항공과대학교 일반대학원 2025 국내석사

In neuromorphic computing, which overcomes the limitations of the von Neumann architecture, resistive processing units (RPUs) for accelerating deep neural network training have garnered significant attention. RPUs enable local storage and weight updates through parallel systems based on a crossbar array. Among various RPU devices, three-terminal nonvolatile memories known as electrochemical random-access memories (ECRAMs) have emerged as a promising technology by separating their read and write operation paths. ECRAMs operate via ion movement through an electrolyte, modulating channel conductance to perform precise and analog updates. Oxygen-based tungsten oxide (WOx) ECRAMs, in particular, offer stable and dynamic switching characteristics compared to other lithium- or hydrogen-based ECRAMs. However, the impact of contact resistance between WOx and metal electrodes has not been thoroughly studied, despite their importance in device performance. First, this study has investigated the reactivity of W metal to oxygen exposure, which leads to increased resistance at the interface between WOx and metal electrodes. The results demonstrate that the contact resistance owing to W metal oxidation is highly influenced by environmental conditions, which can degrade ECRAM performance. To address this, hafnium oxide with atomic layer deposition has been introduced as a passivation layer, significantly improving the stability of oxygen-based WOx ECRAMs by preventing the W oxidation. Following the investigation of the W metal oxidation, the study has examined the contact resistance between WOx channel and three different metal electrodes: tungsten (W), molybdenum (Mo), and nickel (Ni). Transmission line model (TLM) fabrications and automated chip-level measurements were used to evaluate the contact properties. The findings reveal that W provides the lowest contact resistance, followed by Ni and Mo. Additionally, the study has identified the key factors influencing the results: the types of contact (Ohmic or Schottky behavior) and the formation of metal oxidation at the interface. Moreover, this thesis proposes the possibility of parasitic current forming within WOx as a future work. These findings highlight the critical role of understanding material properties of WOx channel and W metal, metal contact behaviors with WOx, and parasitic current effects, in optimizing ECRAM devices. The understanding based on this work provides a foundation for the material optimization and device structural design required to enhance the performance or the scalability of oxygen-based WOx ECRAMs, paving the way for their effective integration into energy-efficient AI hardware.

Repeated measurements of electrical contact resistance between two stainless steel balls

김상국 서울대학교 대학원 2013 국내박사

접촉 전기 저항은 접촉을 이루는 물체의 전기 저항 비와 접촉 면적, 접촉모양과 같은 접촉에 발생하는 변수에 의존한다. 그렇지만, 접촉 힘이 접촉 사이에 얇은 산화 막이 존재할 수 있을 정도로 매우 작다면 접촉 전기 저항은 복잡한 양상을 띄게 된다. 약한 접촉에는 두 가지 전기적 상황이 존재한다. 하나는 높은 저항을 가지는 접촉이고 다른 하나는 낮은 저항을 가지는 접촉이다. 약한 접촉에서 발생하는 높은 저항은 접촉 사이에 존재하는 산화 막 때문이다. 고전 전자기역학에서는 산화 막을 통한 전자 흐름을 설명하기는 어렵다. 그렇지만 양자 역학에서는 산화 막 넘어 전자를 발견할 확률이 어느 정도 있다고 말하고 그러한 현상을 tunneling 효과라 한다. 투널 (Tunneling) 전기 저항은 금속의 전기 저항에 비해 매우 높다. 그렇기 때문에 높은 저항 접촉은 투널 효과의 산물이라고 볼 수 있다. 낮은 저항 접촉은 접촉 사이에 산화 막을 가로 지르는 전기 흐름 길이 생성으로 발생한 것이다. 만약 접촉에 가하는 힘이 산화 막을 파괴할 수 있을 정도로 크다면 접촉 전기 저항은 실제 만들어지는 전기 접촉의 특성으로 결정될 것이다. 그렇지만 약한 접촉의 경우에서는 접촉 사이에 얇은 산화 막이 존재한다. 그런 경우에 접촉 사이에 존재하는 산화 막은 전기적 충격으로 파괴될 수 있다. 그러한 현상은 유전체 파괴(dielectric breakdown) 이라고 한다. 얇은 산화 막으로 분리된 접촉은 전기 전도 현상을 연구하기 위해 스테인리스 스틸 볼 접촉의 전기 저항을 측정하였다. 접촉 전기 저항을 5000번까지 반복적으로 측정하였을 때, 그것은 분포는 두 개의 평균 값을 가지는 로그 노말 분포(bimodal log-normal distribution)을 이룬다. 높은 저항 평균 값은 1 MΩ 으로 그것은, 앞서 말했듯이, 산화 막을 통한 투널 전도 때문이다. 반면에, 낮은 저항 접촉은 산화 막을 가로지르는 전기 흐름 길이 생성되었기 때문에 발생하고 그러한 접촉의 평균 저항은 10 Ω 정도 된다. 그러한 전기 흐름 길 생성은 접촉 사이 전압이 1 V 이상이 되었을 때 발생한다. 이 결과는 낮은 저항 접촉은 접촉 사이 역학적 변수와 상관없이 전기적 변수만으로도 발생할 수 있음을 보여 준다. 랜덤 저항 네트워크 (random resistor network) 모델에 회로 차단기 (circuit breaker)를 추가해서, 낮은 저항 상황을 구현하였다. 이러한 시뮬레이션에서 낮은 저항 접촉의 전기 저항은 전기적으로 유도된 필라멘트 집합체의 전기 저항으로 바꿔 볼 수 있다. 그것은 기존의 접촉 전기 저항을 추정할 때 쓰이던 Holm 이나 Sharvin의 식과는 다른 것이다. 우리는 그렇게 추정한 접촉 전기 저항 결과들이 적절한 시뮬레이션 변수들을 설정하면 실제 실험과 일치함을 확인하였다. 특히, 접촉 전기 저항의 분포가 시뮬레이션 변수 설정과 상관없이 시뮬레이션에서도 보인다는 점은 우리의 해석이, 즉, 낮은 저항 접촉이 역학적인 아닌 전기적으로 생성될 수 있다는 가정이 틀리지 않았음을 보여 준다. 또한, 우리는 접촉 전기 저항에 영향을 주는 다른 변수들을 찾기 위한 추가적인 실험을 했다. 그러한 실험들은 통해, 접촉 전기 저항이 시간에 따라 천천히 변한다는 사실을 알았다. 이것은 접촉 힘이나 전기 흐름의 정도와 상관 없이 나타나는 현상으로, 전기 저항에 영향을 주는 산화 막 내부 변수의 시간에 따른 변화 때문에 발생하는 것으로 보고 있다. 예를 들어, 산화 막 내부에 존재하는 그레인 바운더리(grain boundary)에서는 그레인보다 전기 전도 성이 더 좋다. 산화 막 내분에서 이것의 위치가 시간에 따라 변한다면 접촉 전기 저항 역시 시간에 따라 변할 수 있다. 접촉 전기 저항에 영향을 주는 또 다른 변수로는 대기의 구성이다. 실험을 통하여 우리는 산소의 존재 여부가 낮은 저항 접촉의 생성과 관련이 있다는 사실을 알아 냈다. 이는 접촉 사이에 존재하는 산화 막의 복구가 공기 중에 존재하는 산소의 존재와 관련 있기 때문으로 추정하고 있다. The electrical resistance of the contact is dependent on the bulk electrical resistivity of the contacting materials and the contact parameters, such as contact area, and contact shape. However, if the contact load is very low for two contact members to be separated by a thin oxide layer that is form natively, the electrical contact resistance shows a complicated aspect. There are two electrical states in a weak contact. One is a high resistance contact, another is a low resistance contact. A high resistance in the weak contact is due to an oxide layer between two contact members. In classical electrodynamics, the electron cannot flow through an oxide layer. On the contrary, in Quantum mechanics, there is some probability finding electrons in the other side of an oxide layer. Such phenomenon called tunneling. The tunneling resistance is very high comparing to that of metal. The low resistance contact is due to the bridge connecting two contact members. If the load applying to the contact is enough high to destroy the oxide layer existing between two contact members, the electrical resistance of the contact is determined by the bulk electrical resistivity and the contact area. However, in the case of a weak contact, two contact members are separated by a thin oxide layer covering each contact member. In that case, the oxide layer in the contact can be destroyed by electrical impact. Such phenomenon called dielectric breakdown. The electrical resistance of the contacts between two stainless steel balls was measured in order to study electrical conduction of the contact separated by a thin oxide layer. By repeating the measurements up to 5000 times, the contact resistances were found to have a bimodal log-normal distribution. The higher resistance (∼1 MΩ) peak was formed from the tunneling conduction through the thin oxide layer of the contacts, whereas the lower resistance (∼10 Ω) peak was due to the conducting bridges formed within the oxide layer when dielectric breakdown occurred at Vth ≥ 1 V. It was possible for a low resistance contact to be made by dielectric breakdown regardless of the mechanical parameters of the contact configuration. Using random resistor network model with circuit breaker, we simulated the low resistance state. The value of the low resistance contact can be estimated through that of the electrically induced filament bundle, and not by the Holm or the Sharvin equation in the electrical contact theory. We identified that the simulation result agree to our experimental data for appropriate simulation parameters, such as resistor values, current. Especially, the fact that the log normal distribution of the resistance is appeared in the simulation result as well as the experimental result supports our proposition that the low resistance contact is formed electrically, not mechanically. In addition, we performed several experiments for another condition affecting the electrical contact resistance. The slow variation of electrical contact resistance with the time evolution shows that the interface state, such as the position of defects existing inside the oxide layer, is changed slowly. The variation of occurrence depending on the atmospheric composition shows the electrical contact is sensitive to the existence of oxygen in the atmosphere.

전기 접촉 저항의 멀티스케일 특징

이창욱 연세대학교 대학원 2006 국내석사

Electrical contact can be found in a wide range of devices and machines such as magnetic storage device, microelectromechanical systems, resistance spot welding, and electrical systems with connector, electronic devices and machinery. The performances of these devices and machines depend on the quality of contact. However, the development of the electrical and thermal system is often impeded by the complex contact phenomenon which is yet to be understood. Consequently, significant efforts have been devoted to the understanding of this mechanism. Therefore, the practical and sufficient estimation of contact resistance is considerably important. The main purpose of the study is to develop a model which furnishes the reliable data of the electrical contact resistance.In this study, Archard''s model that considers a Hertzian contact between a spherical asperity and the surface of an half-space is chosen. We find the contact profiles of Hertzian Archard Model at each scale for the estimation of the electrical contact resistance by Greenwood equation. The results show the convergence of the electrical contact resistance according to scale, which is supported by the Barber''s theorem; the electrical contact resistance has a bound for elastic contact with Weierstrass profile. Avoiding the computational difficulty caused by the random characteristics of real surface and a large number of contact spots at finer scale, Jang & Barber''s statistical model is adopted to find a probability density of contact surface. Furthermore, using a kernel estimator it is possible to find the distribution of mean contact radius, which is not a constant approximation. From the statistical method, we find the multiscale contact resistance, approaching a finite limit, which confirms the boundness theorem of electrical contact resistance. Moreover, we suggest the relationship between the shortest length among contact spots and the window width of kernel estimator. As an application of this model to a fractal random surface from the Random Midpoint Displacement Algorithm, the electrical contact resistances according to scale are obtained, showing the multiscale features which converges to a finite limit as additional micrscales are added. 접촉하고 있는 물체간의 전기 저항은 학문적으로 그리고 산업적으로 중요한 문제로서 전기 커넥터, 카본 브러시, 저항용접, MEMS 등의 장비와 나노 단위 시스템 등 매크로부터 나노 스케일 상의 현상에 중요한 역할을 담당하는 변수이다. 특히 마이크로/나노 스케일의 시스템에서 접촉저항은 그 자체가 가지고 있는 작은 스케일로 인해서 정확성에 대한 요구가 학계와 산업계의 큰 문제로 남아 있다. 그러므로 접촉하고 있는 물체간의 전기 저항에 대한 신뢰할 수 있는 예측 모델을 개발하는 것은 산업적/경제적으로 상당히 중요한 혜택을 가져올 것이다. 그러기에 실용적이고 효율적이 전기 접촉 저항에 대한 예측은 상당히 중요하다. 실제로 전기 저항에 대한 이론적 수치해에 대한 접근은, 그 측정 장비의 해상도에 의해 형태가 달라지는 실제 표면의 특징 때문에 용이하지 않다. 따라서, 프랙탈 성질을 지니는 표면에 대한 효과적이 모델과 표면의 접촉점에 대한 적절한 표현이 필요하다.본 연구의 주된 목적은 프랙탈 성질이 나타나는 거친 표면의 형태를 찾아내어 접촉하고 있는 물체간의 전기접촉저항을 신뢰할 만한 값으로 제공하는 간단하고 강력한 모델을 개발함에 있다. 이를 위해서 본 연구에서는 구형 표면 프랙탈 성질을 지니는 Archard 모델을 선택하였다. 이러한 모델을 통해 접촉의 형태를 스케일에 따라 찾아내었다. 그리고 이를 통해 Greenwood 식을 이용하여 직접 Archrad 접촉 모델에 대한 수축 저항(constriction resistance)를 찾았다. 접촉저항은 스케일을 더해 갈수록 수렴해가는 형태를 나타내었다. 이 결과는 탄성 접촉 내에서 프랙탈 성질을 가지는 표면의 전기 접촉 저항은 그 한계를 가진다는 Barber의 이론에 이론적 뒷받침 하고 있다. 계속되는 스케일 증가로 인한 접촉점의 개수와 프랙탈의 무한성에 의한 계산의 한계를 극복하기 위해 Jang & Barber의 확률 모델을 이용하여, 실제 표면 형태에 가까운 확률 함수를 찾는 새로운 방식을 시도하였다. 한 걸음 더 나아가 실제로 핵 추정 방식(kernel estimation)을 써서 접촉 표면에서의 실제와 유사한 접촉 확률 분포를 얻었다. 확률 모델의 방식에서의 비교값으로 앞서 구한 Archard 모델의 결과가 사용되었으며, 스케일별로 확률 모델을 통한 접촉 표면에서의 저항값을 찾았다. 또한, 접촉 현상에 유용한 확률 함수를 찾아내어, 일반적으로 임의의 표면에 대한 저항 예측치를 구할 수 있는 수식을 제공하였으며, 이 새로운 수식은 어떤 표면에서도 적용가능한 매우 실용적이고 고무적인 연구 결과가 된 것으로 기대된다. 이를 통해 랜덤 미드포인트 방식으로 결정되는 임의의 표면을 구성하여 그 접촉 저항값을 찾아보았고, 이러한 표면 역시 멀티스케일적 특징을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 찾아낸 전기 접촉 저항의 예측 방식은 실제 수축 저항과 산화 피막을 모두 고려한 전기 접촉 표면에도 적용할 수 있는 모델이 될 것을 기대할 수 있다.

Impact of Contact Electrode Structures on Charge Carrier Transport in Two-Dimensional Multilayer Field-Effect Transistors

채민지 숙명여자대학교 대학원 2023 국내석사

Two-dimensional (2D) materials have been attracting attention as next-generation semiconductor materials, originating from their ability to control the short-channel effect that occurs in silicon-based devices as a result of device miniaturization. 2D van der Waals (vdW) materials, which are layered materials that can be exfoliated layer by layer, include mono-element materials and transition metal dichalcogenides (TMD) and have unique intrinsic properties and thickness-dependent band gap. In the case of 2D multilayers with weak vdW interactions between layers, carrier transport depends greatly on interlayer resistance and carrier mobility as a function of thickness. As a result, contact engineering becomes increasingly important in devices based on 2D vdW multilayers, where channel separation and migration occur. Various approaches, such as shifting Fermi energy levels, structural phase engineering, and contact configuration engineering, have been explored to reduce contact resistance, however, these methods have not provided clear solutions. Furthermore, although studies have been conducted on the separation and migration of conducting channels within 2D multilayer materials, the direction of spatial channel location under electrostatic drain and gate voltage conditions has not been clearly resolved. In addition, the carrier density and mobility, which vary with temperature, strongly influence the electrical conductivity of the material under specific electrostatic voltage conditions. This indicates that investigating temperature-dependent properties can provide insights into carrier transport mechanisms and charge scattering mechanism. Herein, we propose simple but powerful contact strategy, the vertical double-side contact (VDC), and investigate its electrical characteristics and compare them with the conventional contact electrode configurations. We also study the conducting channel migration mechanism within the 2D multilayer field-effect transistors (FETs). Furthermore, we investigate the carrier scattering mechanism at high temperatures in 2D multilayer FET. First, we proposed a new contact electrode strategy in multilayer rhenium disulfide (ReS2), which is one of the TMD materials, to reduce contact resistance and enhance the interlayer carrier injection efficiency. In this study, we demonstrate the advantages of VDC compared to the conventional top contact (TC) and bottom contact (BC) configurations. The increased contact area provides the charge injection efficiency at the metal-to-2D semiconductor interface and limiting the impact of contact and interlayer resistance on mobility and turn-on voltage. In particular, the reduced transfer length and contact resistance of VDC obtained through transfer length method (TLM) analysis, demonstrate clear advantages compared to the conventional contact electrode configurations. Second, we fabricated tungsten diselenide (WSe2) devices with VDC and investigated the channel migration mechanism within the material under electrostatic gate and drain voltage conditions. We evaluated the electrical characteristics and charge behavior in comparison with TC, BC, and VDC. Based on the drain and gate bias dependent-shape modification of transconductance closely related to carrier transport mechanisms in 2D multilayers, we examined the redistribution of carrier density along the thickness of the multilayer material in terms of BC, TC, and VDC. In addition, we confirmed negative differential interlayer resistance (NDIR) in vertical resistance via four-probe measurement analysis in the VDC, and identified it as a result of channel migration. Third, we report on the impact of interlayer resistance on carrier scattering mechanisms in multilayer ReS2 at high temperature regimes. Among various 2D multilayer materials, ReS2 exhibits high interlayer resistance, demonstrating the interlayer resistance effect is crucial for carrier transport inside a multilayer ReS2. At room temperature, we observe the conduction channel migration along the c-axis of the 2D ReS2 multilayer as the gate and drain voltages increase. However, at temperatures above 380 K, an anomalous peak in transconductance emerges, driving a sudden increase of the carrier mobility. These observations are closely related to the suppressed interlayer resistance. In addition, we can separate the contributions of Coulomb scattering, phonon scattering, and interlayer resistance scattering by analyzing the temperature-dependent carrier mobility using Matthiessen's rule. 차세대 반도체 물질로 주목받고 있는 이차원 물질은 최근 반도체 소자의 소형화에 따라 실리콘 기반 소자에서 발생하는 단채널 효과를 제어할 수 있어 활용도가 높다. 한 층씩 박리가 가능한 층상구조 물질인 이차원 반데르발스 재료는 단일 물질과 전이금속 디칼코게나이드 물질을 포함하며 고유한 물리적 특성과 반도체적 소자로서 적합한 밴드갭을 가진다. 그 중 약한 반데르발스 상호작용을 가지는 이차원 층간 물질에서의 캐리어 전달은 층간 저항과 두께에 따른 캐리어 이동도에 크게 의존한다. 이로 인해 전도 채널의 분리와 이동이 발생하는 이차원 반데르발스 다층 물질 기반 소자에서 접촉 전극 공학이 점점 중요해지고 있다. 접촉 저항을 줄이기 위해 페르미 에너지 레벨을 이동시키는 방법, 구조 상 변화 공학, 그리고 접촉 구성 공학 등 다양한 접근 방식이 연구되었으나 이러한 방법들은 명확한 해결책을 제공하지 않았다. 뿐만 아니라, 이차원 다층 물질 내에서의 전도 채널의 분리와 이동에 대한 연구가 진행되어 왔지만, 정전 기반 드레인 및 게이트 전압 조건에서 공간적 전도 채널 위치의 방향은 아직 명확히 해결되지 않았다. 또한 온도에 따라 변하는 캐리어 밀도와 이동도는 특정 정전기 전압 조건에서 물질의 전기 전도도에 강한 영향을 미친다. 이는 온도에 따라 변하는 속성을 조사함으로써 캐리어 전달 메커니즘과 전하 산란 현상에 대한 통찰력을 얻을 수 있다는 것을 시사한다. 본 논문에서는, 새로운 접촉 방식인 수직 양면 접촉 구조를 제안하여 기존 접촉 전극 구조 방식과 전기적 특성 비교 분석 및 이차원 반데르발스 기반 소자 내에서의 전도성 채널 이동 메커니즘에 대해 연구하였다. 또한 이차원 다층 물질 기반 전계 효과 트랜지스터에서의 고온에서의 캐리어 산란 메커니즘에 대해 연구하였다. 첫번째, 우리는 이차원 반데르발스 물질에서 발생하는 접촉 저항과 관련된 문제에 대응하기 위해 전이금속 디칼코게나이드 물질 중 하나인 다층 이황화 레늄에서 새로운 접촉 방식을 제시하였다. 해당 연구에서는 수직 양면 접촉 전극을 구성함으로써 기존에 사용되던 상부 및 하부 접촉 구성과 비교하여 두 배의 유효 접촉 면적을 제공하는 수직 양면 접촉 전극의 장점을 시연한다. 증가된 접촉 면적은 금속-이차원 반도체 물질 인터페이스에서 전하 주입 효율을 향상시키며, 접촉 및 층간 저항이 이동도, 문턱 전압에 미치는 영향을 제한한다. 특히, TLM (Transfer length method) 분석을 통해 얻은 수직 양면 접촉 전극의 감소된 전류 이동 길이와 접촉 저항은 기존의 접촉 구성과 비교하여 명확한 이점을 제공한다. 두번째, 본 연구에서는 텅스텐 디셀레나이드 소자를 수직 양면 접촉 구조 방식으로 제작하여 게이트 전압과 드레인 전압에 따른 물질 내에서의 채널 이동 메커니즘에 대해 규명한다. 우리는 상부 접촉, 하부 접촉, 그리고 수직 양면 접촉 구조에서의 전기적 특성 평가 및 전하 거동 현상에 대해 확인하였다. 이차원 다층 물질에서 캐리어 이동 메커니즘과 밀접하게 관련된 상호 컨덕턴스의 드레인 및 게이트 전압에 따라 형태가 변하는 것을 기반으로 다층 물질의 두께를 따라 캐리어 밀도의 재분배가 각각의 접촉 방식의 관점에서 명확히 조사되었다. 또한 수직 양면 접촉 전극 구조에서 4단자 측정 분석을 통해 수직 저항에서 부성 미분 저항이 존재함을 확인하였으며, 부성 미분 저항은 채널 이동으로 인해 발생한 것이라고 설명할 수 있었다. 세번째, 우리는 고온 조건에서 다층 이황화 레늄에서 층간 저항이 캐리어 산란 메커니즘에 미치는 영향을 보고하였다. 다양한 이차원 다층 재료 중에서 이황화 레늄은 높은 층간 저항을 가지고 있으며, 따라서 물질 내의 캐리어 전달에 층간저항 효과가 중요하다. 실온에서는 게이트 및 드레인 전압이 증가함에 따라 이차원 이황화 레늄 다층 물질에서 전도 채널이 c축을 따라 이동하는 것을 관찰한다. 그러나 일정 이상의 온도에서는 전도도의 갑작스런 증가를 일으키는 상호 컨덕턴스 피크가 명확하게 나타난다. 이러한 관찰 결과는 이황화 레늄의 유효 층간 전도도의 빠른 감소와 관련되어 있다. 또한, 마티센의 법칙을 사용하여 온도에 따라 변하는 캐리어 이동도를 분석하여 쿨롱비 잡음 산란, 편온 산란 및 층간 저항 산란의 기여도를 분리할 수 있다.

Investigation of Ru/SiGe Interfacial Reactions and Electrical Properties for Low-Resistance Contact

정회윤 한양대학교 대학원 2025 국내석사

Enhanced electrical and thermal conductivity in flexible devices based on robust mechanical contact formation

Insol Hwang Ulsan National Institute of Science and Technology 2021 국내박사

Recently, the electrical and thermal contact resistance imposed by an interface between two bodies has gained significant attention. Contact resistance is a crucial factor that directly affects the performance and power efficiency of electronic and thermal devices. Contact resistance is caused by a mismatch at the interface when two bodies come into contact. This is because the asperities of the surfaces hinder the perfect contact thus forming an air gap at the interface. A method for applying high pressure or filling the contact interface with a material of high electrical and thermal conductivity is widely used to reduce the contact resistance. In recent years, flexible and transparent electronic and thermal devices have been significantly developed owing to the development of electrical and thermal conductive nanomaterials such as carbon nanotubes (CNTs), graphene, and metal nanowires. Because these transparent and flexible devices are more sensitive than the conventional bulk devices, they are more affected by contact resistance. However, the conventional method of reducing contact resistance cannot be utilized for flexible transparent devices owing to the difficulty of uniformly pressurizing the flexible devices and the limitation of transparency. Despite the importance of contact resistance in a flexible transparent device, studies on reducing the contact resistance of flexible transparent devices are rare. Bioinspired adhesive structure, which is inspired by adhesive structures of living organisms in nature, is crucial in overcoming contact resistance in flexible transparent electronic and thermal devices. The micro- and nanoscale pillar-based bioinspired adhesive structures increase the contact area with the substrate and maximize the van der Waals (vdW) force; therefore, the device and the substrate are mechanically coupled. The strong adhesion of bioinspired adhesive structures not only attaches the flexible transparent device to the substrate, but also significantly reduces the electrical and thermal contact resistance through a strongly coupled interface. In this dissertation, we present a flexible transparent electronic and thermal device integrated with the bioinspired adhesive structures. Because of the strong adhesion of the bioinspired adhesive structure, the proposed electronic and thermal device can contact the curved surfaces without external pressure or other additives and minimize the electrical and thermal contact resistance. In Chapter 2, we introduce the self-attachable flexible transparent electronic device with low electrical contact resistance. The device has high adhesion strength, transparency, flexibility, conductivity, and low electrical contact resistance, enabling strong mechanical and electrical connections without external pressure, soldering, or vacuum deposition. Moreover, demonstrations of the flexible transparent electronic device as a smart interconnector and transparent heater were conducted. In Chapter 3, we present a flexible transparent thermal device with low thermal contact resistance. The device exhibits efficient heat transfer ability to the target substrate because of its superior adhesion strength and low thermal contact resistance with high flexibility and transparency. Compared to the conventional thermal devices, the flexible transparent thermal device reduced the thermal contact resistance by ~97% without pressing or thermal interface materials (TIMs) and showed heat transfer performance to nonplanar surfaces with uniform contact interface without air gap.

Investigation of Contact Resistance in IGZO Thin- Film Transistors through the Insertion of an ITO Interlayer

최성윤 포항공과대학교 반도체대학원 2026 국내석사

Indium–gallium–zinc–oxide (IGZO) thin-film transistors (TFTs) have attracted considerable attention for next-generation memory applications owing to the excellent properties of IGZO as a channel material, including ultra-low off state current, high electron mobility, and BEOL- compatible low temperature processing. However, as device dimensions continue to scale down, contact resistance increasingly dominates the total device resistance, severely limiting current drivability. Unlike Si-based MOSFETs, conventional contact engineering approaches, such as silicide formation, are not applicable to oxide semiconductor TFTs, necessitating alternative strategies for contact resistance reduction. In this study, the insertion of an indium tin oxide (ITO) interlayer at the metal/IGZO interface was investigated to improve contact properties. Considering that contact resistance in IGZO TFTs mainly originates from the Schottky barrier and interfacial oxide layers, an ITO interlayer was introduced to mitigate these factors. In direct Mo/IGZO contacts, the strong oxygen reactivity of the metal results in pronounced interfacial oxide layers, leading to increased contact resistance. In contrast, as a conductive metal oxide, ITO does not introduce additional interfacial oxide layers at the ITO/IGZO interface, thereby avoiding the formation of an extra tunneling barrier. Furthermore, the ITO interlayer does not induce direct oxygen vacancy formation in the IGZO channel, which is beneficial for channel reliability. Transmission line method (TLM) analysis revealed that the specific contact resistivity was reduced from 8.8×10⁻³ Ω·cm² for devices without an interlayer to 3.2×10⁻⁵ Ω·cm² when a 2 nm- thick ITO interlayer was optimally inserted, corresponding to an improvement of more than two orders of magnitude. As a result of the improved contact properties, the drain current increased from 3.8 × 10⁻³ μA/μm for devices without an interlayer to 6.9 × 10⁻³ μA/μm at a gate overdrive voltage of 1V, confirming a substantial enhancement in on-state performance. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis further indicated that the insertion of the ITO interlayer did not induce a significant change in oxygen vacancy concentration at the IGZO interface, supporting the absence of direct channel degradation. In addition to TLM analysis, the extracted contact resistivity was cross-verified using a 1/VOV method. These results demonstrate an effective contact engineering strategy for IGZO TFTs and highlight their potential applicability to next-generation memory devices, including vertical channel transistor DRAM (VCT DRAM) and two transistor zero capacitor (2T-0C) DRAM architectures.

Study on modulation of electrical properties in two-dimensional semiconductors

Yue, Dewu Sungkyunkwan university 2019 국내박사

In this dissertation, high-performance semiconductor devices based on two-dimensional materials are fabricated by various functional modulation process. Edge contact structure of graphene, air-stable ambipolar BP transistor, Ohmic contact in MoS2, WSe2, MoTe2, and BP (black phosphorous) FETs and plasma induced doping, layer-by-layer removal of WSe2 are studied in order to reveal the high-performance nature of 2D materials. For manufacturing high-performance 2D semiconductors, contact resistance impedes high-performance 2D semiconductors. The formation of “edge-contacted” graphene through the use of a controlled plasma processing technique generates a bond between the graphene edge and the contact metal, which controls the edge structure of the bond and significantly reduces the contact resistance. The contact resistance attained by using pre-plasma processing in “edge-contacted” graphene FETs was of 270 Ω·μm, which is a decrease of 77%. We also demonstrated the fabrication of solution-processed BV polymeric contacts for the preparation of high mobility MoS2, WSe2, MoTe2, and BP (black phosphorous) FETs with significantly lowered contact resistance. Ohmic contacts were achieved and produced 3-, 700-, 3000-, and 17-fold increases in electron mobilities. Carrier transport mechanism at metal−2D interface are investigated. For manufacturing high-performance 2D logical circuits, n- and p-type performance of 2D materials are necessary. Considering the n- and p-type nature of 2D materials, doping method were studied by chemicals and plasma. Surface charge transfer doping techniques, n-type BV doping, are introduced to 2D MoS2, WSe2, MoTe2, and BP (black phosphorous) FETs. By BV doping and BV interlayer pre-doping, ambipolar and p-type 2D materials based FETs could, therefore, be transformed into n-type FETs. Most importantly, our devices exhibit excellent stability in both ambient and vacuum. High performance p-type WSe2 field-effect transistors were achieved transferred from ambipolar behavior by O2 plasma treatment. High electronic performance of 2D transistors is strongly dependent on its thickness, down to monolayer FETs. We report layer-by-layer thinning of WSe2 via chemical KOH solution, by removing the surface top layer WOX formed by O2 plasma treatment. Monolayer WSe2 flakes were obtained after several consecutive etching, which indicates the layer-by-layer etching technology is reliable and stable. Finally, enhanced ambipolar performance of WSe2 FETs with 10- and 35-fold increases in electron and hole mobilities, respectively, was achieved from etched WSe2 field-effect transistors.

(A) study on bottom-electrode contact and hydrogenation for graphene electronics

차종인 Graduate School, Yonsei University 2022 국내박사

그래핀은 탄소가 육각형 벌집 구조를 가지고 있는 2차원 물질로서, 2차원 물 질만의 특별한 성질들과 더불어 매우 빠른 캐리어 이동도를 가지고 있어 전자 소자를 연구하는 분야에서 많은 관심을 받아왔다. 그래핀은 이러한 전기적인 우수성으로 인해, 현재 반도체 산업의 근간을 이루고 있는 실리콘을 대체하여 차세대 고성능 전계효과트랜지스터(Field-effect transistor)로 활용될 것이라 고 생각되었다. 하지만, 그래핀은 금속 전극과의 높은 접촉 저항(contact resistance)과 밴드갭(band gap)의 부재로 인하여 이러한 전기소자로서의 적 용이 어려운 실정이다. 높은 접촉저항은 그래핀의 상태밀도(density of state)가 그래핀의 디락점 (Dirac point)에서 거의 존재하지 않기에 발생한다. 그래핀의 상태밀도를 높이 기 위하여, 그래핀을 화학적으로 도핑시키거나, 그래핀의 가장자리를 이용한 접촉(edge contact)을 만드는 등 많은 연구가 진행되었다. 하지만 그래핀의 접촉저항이 여전히 높고, 접촉저항을 낮추기 위한 공정 과정이 복잡하여 실제 로 산업에 적용하기에는 아직 어렵다. 또한 그래핀의 밴드갭의 부재로 인해, 그래핀을 전류를 끄고 켜야(switch on/off)하는 반도체산업에서 활용하지 못 하고있다. 그래핀의 한쪽 면만 수소화를 시켰을 경우, 밴드갭이 생성된다는 연 구결과들이 나왔고, 이를 위해서 수소플라즈마를 이용한 연구가 활발히 진행되 었다. 최근, 수소화그래핀이 약 4 eV 정도의 큰 밴드갭을 가진다는 연구결과가 있었지만, 아직 온오프 전류비가(On/Off ratio) 충분히 큰 전계효과트랜지스터 는 보고되지 않았다. 본 연구에서는 먼저, 그래핀의 접촉저항을 낮추기 위해 플래티넘(Pt)를 이용 한 바텀전극(bottom-electrode)에 대한 연구를 진행하였다. 바텀전극은 그래 핀 위에 전극을 쌓는 탑전극(top-electrode) 방법과 달리 미리 만들어진 전 극 위에 그래핀을 전사하여 접촉시키는 방법이다. 이는 플래티넘의 높은 일함 수(work function)로 인한 그래핑의 도핑 효과를 극대화 할 수 있을 뿐 아니 라, 접촉면을 깨끗한 상태로 유지할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 이를 이용해 전계효과트랜지스터를 제작하였고, 바텀전극을 이용했을 때에 접촉저항 이 거의 없는 것처럼 트랜지스터가 구동 됨을 보았다. 또한 cross-bridge Kelvin(CBK) 측정법을 통하여 접촉저항이 2.82 Ω μm까지 낮아질 수 있음 을 확인하였고, 이는 기존의 보고들이 약 20 Ω μm 정도의 접촉저항들에 비 하여 굉장히 낮은 수치이다. 또한 transmission line method(TLM) 측정법을 통해 그래핀의 디락점에서 가장 낮은 접촉저항을 보임을 확인하였고, 이는 바 텀전극을 이용한 그래핀이 저전력소자에서도 활용이 가능함을 보여준다. 진성반도체 수소화그래핀을 만들기 위해서는 수소플라즈마에 대한 이해가 필 수적이다. 이를 위해 사중극자질량분석기(Quadrupole mass spectrometry, QMS)를 이용하여 이온의 운동에너지 관점에서 수소플라즈마를 분석하였다. 그래핀 수소화의 가역성(reversibility)은 열을 가해주면 다시 그래핀으로 돌 아오는 특성으로, 그래핀에 구조적인 결함(defect)이 발생했는지 확인할 수 있 기 때문에 그래핀 수소화에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 사중극자질량분 석기의 분석결과를 통해 삼중수소 양이온(H3 + )이 플라즈마의 에너지에 가장 큰 역할을 하는 것을 확인하였고, 삼중수소 양이온의 평균 운동에너지가 3.45 eV, 5.35 eV, 7.45 eV를 가지는 플라즈마 조건을 선정하였다. 각각의 플라즈 마 조건을 이용해 그래핀을 수소화 시켰으며, 라만(Raman)분광법과 X선 광전 자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)을 이용하여 3.45 eV 의 이온 에너지를 가진 플라즈마로 처리한 그래핀만이 수소화의 가역성을 보 임을 확인하였다. 이는 플라즈마의 에너지가 그래핀의 결합에너지(binding energy)를 넘으면 안된다는 이론적 보고 와도 일치하는 결과로서, 정공 (vacancy)과 같은 구조적인 결함이 발생하지 않기 위해선 이온에너지가 2.5 ~ 3.5 eV 사이에 있어야함을 뜻한다. 최종적으로 수소화그래핀을 이용해서 전 계효과트랜지스터를 제작하였으며, 상온에서 온오프 전류비가 약 105 을 보였 다. 이는 진성반도체에서만 나올 수 있는 수치로서, 성공적으로 그래핀의 한쪽 면의 25%을 구조적 결함이 없이 수소화 시켰음을 뜻한다. 또한 온도에 따른 전자수송 변화를 측정하여 진성반도체로서의 구동을 한번 더 확인하였다. 본 연구 결과들은 그래핀 산업 발전에 큰 기여를 할 것이다. 바텀전극의 우수 성에 대해 재평가가 이루어져, 좀 더 많은 연구들이 진행된다면, 그래핀의 접 촉저항은 더 이상 그래핀의 전자소자 적용으로서의 한계점이 아니게 될 것이 다. 또한 본 연구에서 진행한 수소플라즈마 분석은, 수소플라즈마를 이용하는 연구진들에게 중요한 참고결과(reference)가 될 것이고, 수소저장, 그래핀 센 서, 반도체 산업에서의 수소화그래핀 발전의 토대가 될 것이다. Graphene, which consists of hexagonal carbon lattice, has attracted significant attention for application in carbon-based electronic devices owing to its two-dimensional structure, high intrinsic mobility, and extraordinary properties. Its electrical superiority has made graphene one of the most promising candidates for next-generation high-speed field-effect transistors. However, the high contact resistance and zero bandgap of graphene significantly limit its applications. The high contact resistance between graphene and metal electrode is due to the low density of states (DOS) at the Dirac point of graphene. Various methods, such as chemical doping and creating artificial edges, have been used to increase the DOS of graphene. The contact resistance must be low to use graphene in the semiconductor industry. The absence of the band gap of graphene is another major limitation in realizing carbon-based electronic devices. Various methods have been used to open the band gap of graphene. In this study, I focus on hydrogenation by plasma. However, owing to the complex nature of plasma, consistent results have rarely been reported. Hydrogenated graphene has a wide band gap of ~4.0 eV. However, hydrogenated-graphene-based transistor with high on/off current ratio has not yet been reported. I investigated the contact resistance of graphene on the Pt bottom electrode. An extremely low contact resistance was confirmed by various methods. The Pt bottom electrode had advantages, such as direct contact with a high-work-function metal and a clean interface between the electrode and graphene. Its two-probe resistance exhibited a similar value to its four-probe resistance in single-layer-graphene field-effect transistors, indicating that the contact resistance is insignificant. I present the lowest contact resistivity of 2.82 Ω μm using cross-bridge Kelvin (CBK); this is a notable result in that it was achieved without any additional fabrication processes, such as doping or creating edges. Moreover, recent studies have reported a resistivity of approximately 20 Ω μm. Further, graphene on the Pt bottom electrode exhibited the lowest contact resistance at the Dirac point of graphene in the transmission-line measurement (TLM), which implies that current mainly flows through the graphene edges, and this contact method is suitable for low-power graphene electronics. In addition, I investigated hydrogenated graphene with two different approaches. One is the finding appropriate hydrogen plasma condition which would not induce the damage during the treatment, and second one is fabrication of high quality of graphene field-effect transistor using exfoliated graphene and h-BN substrate. To find appropriate plasma energy required for a hydrogenated-graphene-based intrinsic semiconductor, I analyzed the plasma using mass spectroscopy in terms of the kinetic energy of ions. As reversibility is significant for hydrogenation, I present the appropriate plasma energy required for reversible hydrogenation. Graphene sheets were exposed to different plasma conditions with 3.45, 5.35, and 7.45 eV of the average ion energy of H3+, and the one with 3.45 eV exhibited the reversibility of its Raman spectrum by thermal annealing. X-ray photoemission spectroscopy revealed that irreversibility was due to the vacancy defects generated during the plasma exposure with higher energy ions than the graphene binding energy. In agreement with previous theoretical studies, my results suggest that the average energy of H3+ ion in plasma range from 2.5 to 3.45 eV. Finally, a hydrogenated-graphene field-effect transistor was fabricated using proposed plasma condition and it showed totally reversible characteristic by thermal heating, which indicates that no plasma damage induced by the hydrogen plasma. Furthermore, to enhance the performance of the graphene device, I introduced exfoliated graphene rather than chemical vapor deposited graphene, and h-BN flake to reduce the leakage current of the device. It exhibits an on/off current ratio of over five orders of magnitude at room temperature. Its band gap can be tuned to as wide as 3.8 eV by varying the hydrogen coverage on graphene. Finally temperature dependence of the conductivity confirmed that our hydrogenated graphene behaved like an intrinsic semiconductor. I believe that my study can significantly contribute to the field of graphene applications. The bottom-electrode contact may be revaluated and the contact resistance may no longer be a limitation to the graphene applications. And our studies of the hydrogenated graphene to tune the band gap may be useful in various graphene hydrogenation studies, including those related to hydrogen storage, graphene sensors, and graphene-based electronics.

Study on Fabrication and Characterization of μm scale Epitaxial Heterostructures based on BaSnO3 Perovskite Oxide Semiconductor

이재혁 서울대학교 대학원 2024 국내박사

BaSnO3 (BSO)는 흥미로운 특성 때문에 여러 분야에 걸쳐서 다양하게 연구되어 왔다. BSO는 페로브스카이트 구조를 가진 물질로 격자상수 가 4.116 Å 인 입방 구조를 이루고 있다. BSO를 주목받은 물질로 만들어준 몇 가지 특성은 다음과 같다. 첫째, 직접 밴드 갭이 3.1 eV인 넓은 밴드 갭 물질이다. 이 높은 밴드 갭으로 인해 BSO는 높은 전압에서 동작하는 고출력 장치의 재료로서 사용될 수 있다. 두번째, BSO는 La을 사용하여 쉽게 n형 도핑이 가능하다. 본질적으로는 절연체이나 La 도핑을 통해 높은 전도도를 가질 수 있다. 이는 La 도핑 농도를 변화시켜 전류차단층, 채널층, 접촉층을 모두 한 물질로 만들 수 있음을 의미한다. 세번째, 높은 이동도를 가진다. 높은 도핑 영역 (8 × 1019 cm-3)에서 단결정의 경우 320 cm2·V-1·s-1의 높은 이동도가 보고되었다. 박막의 경우 기판과 박막의 격차상수 불일치에 의한 threading dislocation등의 영향으로 단결정보다 다소 낮은 20~100 cm2·V-1·s-1 정도의 값을 가진다. 게다가 BSO는 LaInO3와의 계면에서 이차원 전자 가스 (2DEG)를 형성한다. 도판트에 의한 산란으로부터 자유로운 2DEG은 BSO의 높은 이동도와 만나 시너지를 이룬다. 높은 이동도는 BSO가 고이동도트랜지스터(HEMT)의 채널 물질로 사용되어질 가능성이 있음을 보여준다. 네번째, 높은 온도 안정성을 가진다. 높은 온도에서 본래의 특성을 유지할 수 있음은 고온에서 동작하는 소자에 응용되어질 수 있음을 의미한다. 다섯번째, 높은 산소 안정성을 가진다. 약 700 ℃에서 1x10-17cm2·s-1 정도의 낮은 산소 확장 계수를 가진다. 높은 산소 안정성은 BSO가 다양한 환경에 노출 되더라도 본래의 특성을 유지할 수 있음을 의미한다. 이러한 휼륭한 BSO의 특성들은 BSO가 고온 고압에서 동작할 수 있는 높은 성능을 가진 device의 재료로서 사용될 수 있음을 보여준다. 본 논문에서, 나는 BSO를 기반으로 한 마이크론 크기의 이종접합구조의 제작과 특성 측정에 집중하였다. 제작은 포토리소그래피와 식각을 통해 수행되었다. 식각은 물리적인 식각인 아르곤-이온 밀링과 화학적인 습식 식각을 사용하였다. 식각 후 표면은 주사탐침현미경 을 통해 조사되었다. 적절한 조건 조절과 후처리 하에 표면 손상은 제어 되었다. 4% BLSO는 BSO기반 시스템에서 접촉 물질로 사용되었다. BSO 시스템들 사이의 접촉 저항을 Transmission Line Method (TLM) 방식으로 측정하였다. 기존의 TLM 방식으로는 BSO 시스템의 접촉저항을 측정하는데 어려움이 있어 이를 해결하기 위해 수정된 Transmission Line Method를 고안하여 측정을 진행하였다. 측정 결과 2.87 × 10-7 Ω·cm2 의 낮은 접촉저항을 얻을 수 있었다. 이는 기존의 다른 반도체와 금속 사이의 접촉 저항과 비견될 만큼 낮은 값이다. 이는 BSO로 이루어진 시스템이 크기 축소가 될 수 있음을 보여준다. 이러한 연구를 기반으로 모두 켜쌓은 한 마이크론 크기의 장효과 트랜지스터를 제작하였다. 도핑되지 않은 BSO를 기판과 채널 사이의 격자상수 불일치에 의한 threading dislocation의 영향을 감소시켜 줄 완충기로, 낮은 도핑 BLSO를 높은 이동도를 가진 채널로, 4% BLSO를 낮은 접촉 저항을 가진 접촉 물질로 사용하였고 이러한 BSO 시스템과 합성 될 수 있으며 높은 유전 상수와 낮은 누설 전류를 가지는 SrHfO3를 게이트 산화물로서 사용하였다. 이렇게 제작된 장효과 트랜지스터는 6.05 × 10-2 mA·μm-1의 드레인 전류를 보이며 기존의 장효과 트랜지스터에서 채널 길이를 감소시켰을 때 기대되는 효과를 보여주었다. 이 연구는 실험실 단계에서 쉽게 진행할 수 있는 습식 식각을 사용하여 마이크론 크기의 소자를 성공적으로 제작할 수 있음을 보여주었다. 또한 마이크론 크기의 패턴을 통해 LaInO3/BaSnO3 계면의 2DEG의 정밀한 측정을 진행하였다. 기존에 실시되었던 밀리미터 크기의 측정보다 더 국소적인 영역의 특성을 측정하여 넓은 면적으로부터 오는 불균일성을 감소시켰다. LIO/BSO 2DEG을 이온성 액체 게이팅을 통하여 1 × 1014 cm-2 이상의 운반자를 변조하며 운반자 밀도와 이동도 사이의 관계를 살폈다. 이동도는 운반자 밀도의 2분의 3승에 비례하는 경향성을 보이며 이차원성을 보여주었으며 기존에 보고되지 않은 1000 cm2·V-1·s-1 이상의 높은 값까지 도달하였다. 이는 2DEG을 사용한 소자의 잠재력을 보여줌과 동시에 양자 수송의 연구를 위한 단초가 될 수 있다. BaSnO3 (BSO) has been studied in various fields because of its interesting properties. As a material with a perovskite structure, BSO forms a cubic structure with a lattice constant of 4.116 Å. Some properties that have made BSO a material of interest include: First, it is a wide band gap material with a direct band gap of 3.1 eV. Due to this high band gap, BSO can be used as a material for high power devices that operate at high voltages. Second, BSO can easily be n-type doped using lanthanum. It is intrinsically insulating and can have high conduction through La cation doping. This means that the current block layer, channel, and contact can all be made from one material by changing the degree of La doping. Third, it has high mobility. In the case of a single crystal in the high doping region (~8x10¹⁹ cm⁻³), a high mobility of 320 cm2·V-1·s-1 was reported. In the case of film, it has a value of about 20~100 cm2·V-1·s-1, which is lower than that of single crystal due to the influence of threading dislocation due to lattice mismatch between substrate and film. Additionally, BSO forms 2-dimensional electron gas (2DEG) at the interface with LaInO3. 2DEG, which is free from scattering by dopant, creates synergy with the high mobility of BSO. The high mobility shows that BSO has the potential to be used as a channel material for high electron mobility transistors. Fourth, it has high temperature stability. Being able to maintain its original characteristics at high temperatures means that it can be applied to devices that operate at high temperatures. Fifth, it has high oxygen stability. It has a low Oxygen diffusion coefficient of about 1x10-16cm2·s-1 at about 700 ℃. High oxygen stability means that BSO can maintain its original properties even when exposed to a variety of environments. These excellent properties of BSO show that BSO can be used as a material for high-performance devices that can operate at high temperature and high pressure. In this dissertation, I focused on the fabrication and characterization of micron-scale heterostructures based on BSO. Fabrication was performed through photolithography and etching. Etching used Ar-ion milling, which is physical etching, and wet etching, which is chemical. After etching, the surface was examined through atomic force microscopy (AFM). Surface damage was controlled under appropriate condition control and post-treatment. 4% BLSO was used as contact material in the BSO-based system. Contact resistance between BSO systems was measured using the transmission line method (TLM). Because it was difficult to measure the contact resistance of the BSO system using the existing TLM, the modified transmission line method was designed and measured to solve this problem. As a result of the measurement, a low contact resistance of 2.87 × 10-7 Ω·cm2 was obtained. This is a low value comparable to the contact resistance between other existing semiconductors and metals. This shows that a system consisting of BSO can be scaled down. Based on this research, a fully epitaxial micron-scale field effect transistor was produced. Undoped BSO was used as a buffer to reduce the effect of threading dislocation due to lattice mismatch between the substrate and channel, low doping BLSO was used as a channel with high mobility, and 4% BLSO was used as a contact material with low contact resistance. SrHfO3, which can be composited with the BSO system and has high dielectric constant and low leakage current, was used as the gate oxide. The FET produced in this way showed a drain current of 6.05 × 10-2 mA·μm-1 and showed the expected effect when reducing the channel length in the existing FET. This study demonstrated that micron-scale devices can be successfully fabricated using chemical etching, which can be easily performed at the laboratory stage. In addition, precise measurements of 2DEG of the LaInO3/BaSnO3 interface were performed using micron-scale patterns. By measuring the characteristics of a more local area than previously performed millimeter scale measurements, I reduced the unevenness that comes from a large area. LIO/BSO 2DEG modulated carriers larger than 1 × 1014 cm-2 through ionic liquid gating and examined the relationship between carrier density and mobility. Mobility showed a tendency to be proportional to the power of 3/2 of the carrier density, showing 2-dimensionality, and reaching a previously unreported high value of over 1000 cm2·V-1·s-1. This shows the potential of devices using 2DEG and can serve as a starting point for research on quantum transport.