KR102189495B1 - 나노소재의 무전극 전자이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 정공이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 전자이동도 측정방법 및 나노소재의 무전극 정공이동도 측정방법 - Google Patents

나노소재의 무전극 전자이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 정공이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 전자이동도 측정방법 및 나노소재의 무전극 정공이동도 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전자이동도 측정방법은 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되는 전자총, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 전자총과 대향되게 구비되는 시료금속으로 이루어진 장치에 있어서, 전자총을 통하여 시료금속에 전자를 조사하는 전자조사단계, 상기 시료금속에 전압을 인가하는 하여 측정되는 상기 시료금속의 전압에 따른 시료전류을 측정하는 시료전류측정단계, 상기 측정된 시료전류를 통하여 이차전자전류를 산출하는 이차전자전류산출단계, 상기 측정된 시료전류 및 산출된 이차전자전류의 합을 유효입사전류로 정의하는 유효입사전류정의단계를 포함한다.

Description

나노소재의 무전극 전자이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 정공이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 전자이동도 측정방법 및 나노소재의 무전극 정공이동도 측정방법 {Electrodeless measuring apparatus for electrode mobility, Electrodeless measuring apparatus for hole mobility, Electrodeless measuring method for electrode mobility and Electrodeless measuring method for hole mobility}
본 발명은 나노 전자소재의 전하 또는 정공 이동의 특성을 분석하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속전극의 일부를 생략하고 전자, 빛 등을 포함하는 입자빔을 시료 표면에 조사하여 박막소재의 수직방향으로의 전하이동의 특성을 분석하는 방법에 관한 것이다.
현대인의 일상생활에 필수품인 전자제품에 사용되는 전자 소재와 관련하여 많은 연구 및 투자가 기업 및 기관들에 의해 이루어지고 있다.
전자 소재의 중요한 기능 중 상당 부분이 전하의 흐름에 연관되어 있으나, 현재까지는 주로 전자 소재의 전류의 평면적인 동선을 이해하는데 그치고 있는 실정이다.
하지만, 전자 소재의 3차원 집적화와 샌드위치 구조의 저항스위칭소자 등이 주목을 받으면서 수직 방향 전하이동 특성 정보는 관련분야의 기술적 한계를 극복하고 경쟁력 향상을 위한 핵심적인 관심사이다.
특히 나노미터 단위로 소재의 두께가 얇아질수록 금속 전극 형성에 의한 물성 왜곡 가능성이 매우 높아, 나노박막의 수직방향으로의 전자 또는 정공 이동특성은 응용소재의 전자 정보를 빠르게 전달하기 위하여 중요하다.
최근 들어 활발히 연구가 진행되고 있는 3D 위상 절연체 시료들의 경우 기존의 전극 패터닝 방식으로 측정 시 전극과 시료간의 상호작용에 의해 시료의 물성이 깨질 위험이 있어 전극 없이 측정할 수 있는 방법의 필요성이 요구된다.
이 외에도 기존의 플래시 메모리를 대체할 수 있는 차세대 메모리로 각광받는 저항변하 메모리 소자의 경우, 상용화를 위해서 극복해야 할 과제들이 많이 남아있으며 이를 해결하기 위해 금속전극 없이 소재의 수직방향의 전하이동 특성의 변화 메커니즘을 이해하는 것은 필수적이다.
따라서 본 발명은 이를 극복하고 소재의 개발단계에 적용하여 소자의 수직방향으로의 이동특성을 분석함으로써, 실시간 소재특성의 피드백 및 물질의 전하이동 동역학을 이해하는데 활용할 수 있는 방법을 제공한다.
대한민국 공개특허공보 제 10-2008-0078125호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 전극효과가 배제된 나노미터 크기의 초박막 시료의 수직 전하이동의 특성을 측정하는 방법을 제공하기 위함이다.
또한 박막 적층구조의 수직방향으로의 전하이동의 특성을 분석하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 전자이동도 측정방법은 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되는 전자총, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 전자총과 대향되게 구비되는 시료금속으로 이루어진 장치에 있어서, 전자총을 통하여 시료금속에 전자를 조사하는 전자조사단계, 상기 시료금속에 전압을 인가하는 측정되는 상기 시료금속의 전압에 따른 시료전류을 측정하는 시료전류측정단계, 상기 측정된 시료전류를 통하여 이차전자전류를 산출하는 이차전자전류산출단계, 상기 측정된 시료전류 및 산출된 이차전자전류의 합을 유효입사전류로 정의하는 유효입사전류정의단계를 포함한다.
그리고 상기 정의된 유효입사전류의 값을 이용하여 시료금속에서의 전자의 이동도를 측정하는 전자이동도 측정단계를 더 포함할 수 있다.
Figure 112018094220853-pat00001
(수식4)
여기서 JEP는 유효입사전류, μ는 전하이동도, δEP는 전자 하나에 의해서 단위시간당 발생되는 이차전자의 수, KB는 볼츠만상수, T는 절대온도, ∇q은 시료내 전하분포미분, e는 전자의 전하량이다.
그리고 상기 이차전자전류산출단계는, 상기 측정된 시료전류의 값을 미분하여 운동에너지에 따른 이차전자분포에 대한 데이터를 확보하는 과정, 확보된 데이터의 분포에 대한 개략적인 곡선을 산출하고, 산출된 곡선과 유사한 형태의 곡선이 도출되는 수학식을 선택하는 과정, 상기 도출된 수학식에 따른 그래프를 상기 데이터의 분포에 대한 곡선으로 피팅하는 과정 및 피팅된 곡선을 전압에 대하여 적분하여 이차전자전류 데이터를 확보하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 정공이동도측정방법은 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되는 광자공급기, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 광자공급기와 대향되게 구비되는 시료금속으로 이루어진 장치에 있어서, 광자공급기을 통하여 시료금속에 광자를 조사하는 전자조사단계, 상기 시료금속에 전압을 인가하는 측정되는 상기 시료금속의 전압에 따른 시료전류을 측정하는 시료전류측정단계, 상기 측정된 시료전류를 통하여 이차전자전류를 산출하는 이차전자전류산출단계, 상기 측정된 시료전류 및 산출된 이차전자전류의 합을 유효입사전류로 정의하는 유효입사전류정의단계를 포함한다.
여기서 상기 정의된 유효입사전류의 값을 이용하여 시료금속에서의 정공이동도를 측정하는 정공이동도 측정단계를 더 포함할 수 있다.
Figure 112018094220853-pat00002
(수식4)
여기서 JEP는 유효입사전류, μ는 전하이동도, δEP는 전자 하나에 의해서 단위시간당 발생되는 이차전자의 수, KB는 볼츠만상수, T는 절대온도, ∇q은 시료내 전하분포미분, e는 전자의 전하량이다.
그리고 상기 이차전자전류산출단계는, 상기 측정된 시료전류의 값을 미분하여 운동에너지에 따른 이차전자분포에 대한 데이터를 확보하는 과정, 확보된 데이터의 분포에 대한 개략적인 곡선을 산출하고, 산출된 곡선과 유사한 형태의 곡선이 도출되는 수학식을 선택하는 과정, 상기 도출된 수학식에 따른 그래프를 상기 데이터의 분포에 대한 곡선으로 피팅하는 과정 및 피팅된 곡선을 전압에 대하여 적분하여 이차전자전류 데이터를 확보하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 전자이동도 측정장치는 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되어 상기 밀폐공간로 전자빔을 조사하는 전자총, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 전자총과 대향되게 구비되는 시료금속 및 상기 시료금속에 전압을 인가하는 전압기 및 상기 전압기를 통하여 인가되는 전압에 따른 전류를 측정하는 전류측정기를 포함할 수 있다.
여기서 상기 시료금속은 활성층 및 활성층 후면에 위치하는 전극을 포함하고,
상기 잔압기 및 전류측정기는 상기 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 정공이동도 측정장치는 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되어 상기 밀폐공간로 광자를 조사하는 광자공급기, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 광자공급기과 대향되게 구비되는 시료금속 및 상기 시료금속에 전압을 인가하는 전압기 및 상기 전압기를 통하여 인가되는 전압에 따른 전류를 측정하는 전류측정기를 포함할 수 있다.
그리고 상기 시료금속은 활성층 및 활성층 후면에 위치하는 전극을 포함하고, 상기 전압기 및 전류측정기는 상기 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 나노 전자소재의 무전극 수직전하이동 특성 분석법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전자 또는 정공의 이동특성을 분석하기 위한 고비용의 전극 패터닝 공정이 불필요하여 소재 개발의 비용 및 소요시간 단축에 기여할 수 있다.
둘째, 광원이나 전자원을 포함하는 장치에 전압인가 또는 전류측정 유닛만을 추가하여 간단하게 소재의 수직방향 전자 또는 정공의 이동특성을 분석할 수 있다.
셋째, 물질의 전기적 특성과 화학적 특성을 동시에 측정함으로써 실시간으로 소재의 특성을 파악하는 것이 가능하게 하여 전자 구조의 디자인 및 이를 이용한 맞춤형 소재 개발에 대한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 전하 이동의 분석을 위한 무전극 전하 주입 방법을 실행하는 장치에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명에 채용된 전하 이동을 측정하는 소재의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 전자선원을 이용해 조사된 전자의 움직임을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 인가전압별로 측정된 시료전류(J)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 측정된 시료전류(J)를 통하여 이차전자전류(Jse)를 구하는 과정에서 시료전류의 미분값 및 이를 모사한 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 시료전류(J), 이차전자전류(Jse) 및 이들의 합에 의한 유효입사전류(JEP)의 값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 본 발명을 응용하여 유기반도체시료 P3HT (10nm) 의 열처리 온도에 따라 실험적으로 얻은 유효입사전류와 이론 결과로부터 얻은 유효입사전류를 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실리콘 P타입 기판을 측정한 온도에 따른 유효입사전류를 나타낸 그래프이다.
도 9은 본 발명을 응용하여 측정한 시료 VO2(22nm) / Nb_Ti02(001)의 온도에 따른 유효입사전류의 크기를 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 무전극 전자 또는 정공의 이동특성 분석법은 대상이 되는 소재, 즉시료의 표면에 외부 전자 또는 빛을 조사함으로써 발생되는 전류를 인가된 전압에 대응하는 값을 통해 시료의 수직방향 전자 또는 정공의 이동특성을 분석하는 방법에 대한 것이다.
종래의 경우 전하이동의 특성을 분석하기 위하여 전압-전류 특성분석, 전계효과 전하이동도 분석(Field Effect Transistor), TOF(Time Of Flight), SCLC(Space Charge Limited Current), 홀효과(Hall Effects) 등 다양한 방법이 이용되었다.
그러나 이는 측정 과정에서 시료금속에 물리적 손상을 일으키고 소재와의 계면을 형성하여 잉여전자 및 정공, 계면 전압 및 커패시터 등이 원하지 않는 효과를 가진다는 단점이 상존하였다.
이러한 단점을 극복하고자 본 발명은 전극을 통한 전하 주입방법 대신 전극을 생략하고 광자 또는 전자빔 조사를 통하여 나타나는 현상을 분석하여 유효입사전류를 정의하고, 이를 통해 유효입사전류와 관련 있는 소재의 수직방향 전자 또는 정공의 이동특성을 알 수 있다.
분석 장치
도 1을 참조하여 본 발명의 무전극 전자이동도 측정 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명을 실행하는 장치에 관한 도면이다.
본 발명의 일실시예의 무전극 전자이동도 측정 장치는 챔버(10), 전자총(40), 기준금속(20), 시료금속(30) 및 회로(60)로 이루어진다.
챔버(10)는 밀폐된 공간을 이루며 실험이 이루어지는 영역을 말한다. 챔버(10)에는 시료금속(30)의 홀더 역할을 하는 기준금속(20), 진공펌프, 전자총(40), I-V 분석기(50)가 구비되어 있으며 전기적으로 접지상태일 수 있다.
진공펌프를 통해 챔버(10) 내부는 고진공 상태를 유지할 수 있다. 챔버(10) 내부가 고진공 상태로 유지됨으로써 전자빔이 공기분자에 의해 산란되는 것을 방지하고, 에너지가 일정한 값을 갖도록 하는 것이 가능할 수 있다. 또한, 공기분자나 수증기에 의해 기준금속(20) 또는 시료금속(30) 등 금속의 표면에 영향을 미치는 것을 방지하여 금속의 물리적 특성을 유지할 수 있게 한다.
그리고 챔버(10)는 전기적으로 접지상태와 연결 될 수 있고, 이로써 정확한 전류 신호를 얻을 수 있다. 즉, 챔버(10)와 기준금속(20) 사이의 전기적인 중립상태를 유지할 수 있다.
전자총(40)은 챔버(10)에 구비되며, 기준금속(20)에 전자빔을 조사하여 기준금속(20) 시료금속(30)에서 이차전자가 발생하도록 한다. 즉 금속의 표면에 전자원을 주입하여 이차전자를 형성시키며 목적에 따라 다양한 운동에너지가 선택될 수 있다.
전자총(40)은 챔버(10)와 동일한 재질로 구성될 수 있으며, 따라서 본 발명은 전자빔(40)의 제어기에 전압인가 장치와 전류측정 장치만 더하면 일함수 측정이 가능하다는 장점이 있다.
홀더(20)는 챔버 내에 전자빔(40)과 대향하게 구비된다. 홀더(20)는 후술할 시료금속(30)을 붙이기 위한 역할을 할 수 있으며 전도성이 매우 좋은 금속으로 구비될 수 있다.
도 2를 참조하여 측정의 대상이 되는 시료금속(30)에 대하여 검토한다. 도 2는 전하 이동을 측정하는 소재의 단면도이다.
도 2의 A는 저항변화, 광학, 센서 등 다양하게 형성될 수 있는 기능성 소재로써, 단층 또는 다층을 가지는 활성층이다. 이 때, A는 유기물 또는 무기물 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이러한 활성층은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 정전기 코팅, 딥 코팅, 블레이트 코팅, 잉크젯 코팅, 롤 코팅, 열 증발 증착(thermal evaporation) 및 전자빔 증착 등 다양한 방법으로 제작될 수 있다.
도 2의 B는 전기적 특성을 위해 구비되는 전극이다. 이 때, 전극은 투명전극, 금, 은, 백금, 구리, 코발트, 니켈, 주석, 알루미늄, 인듐틴옥사이드, 저(低)저항 실리콘 웨이퍼 또는 티타늄일 수 있다.
시료금속(30)은 전하 또는 정공의 이동특성을 분석하기 위하여 측정 대상이 되는 것으로, 시료금속(30)은 전자총(40)과 대향하는 위치에 기준금속(20)의 일부에 위치할 수 있다.
이 때 시료금속(30)을 기준금속(20)에 고정하기 위하여 은페이스트(silver paste) 또는 카본 테이프(carbon tape)가 이용될 수 있다. 다만 은페이스트나 카본 테이프 외에도 시료금속을 기준금속에 고정시킬 수 있는 것이라면 그 재료는 한정되지 않는다.
그리고 시료금속(30)과 기준금속(20) 사이에 위치조절기가 구비될 수 있으며 위치조절기를 통해 상하좌우 방향으로의 방향조절이 가능하다. 이는 전자총(40)에서 조사되는 전자빔이 조사되는 시료금속(30)과 기준금속(20)의 위치를 일정하게 하기 위함이다. 즉, 다양한 시료금속(30)의 측정 시 동일한 위치를 유지하기 위함이다.
한편, 본 발명의 무전극 정공이동도 측정장치의 경우 전자총(40)의 구성이 광자공급기로 대체되는 점을 제외하고는 상기 설명한 무전극 전자이동도 측정장치와 동일하다.
광자 공급기는 시료의 표면에 전자-전공 쌍극자 형성 및 광여기전자에 의한 전공을 주입한다. 이 때 광자 공급기에서 목적에 따라 다양한 광자 에너지가 사용될 수 있다.
분석 방법
도 3을 참조하여 본 발명의 무전극 수직전자이동 특성의 분석 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 전자선원을 이용해 조사된 전자의 움직임을 나타낸 개략도이다.
본 발명의 전하 이동 특성 분석방법은 상술한 분석장치를 이용하여 전자조사단계, 시료전류측정단계, 이차전자전류산출단계, 유효입사전류정의단계 및 전자이동도 측정단계를 포함한다.
전자조사단계는 전자총(40)을 이용하여 전자빔을 시료금속(30)에 조사하는 단계이다. 이는 상술한 바와 같이 시료금속(30)의 내부로 입사된 운동에너지를 가지는 전자는 시료금속(30)을 구성하는 원자 주변의 포텐셜과 탄성 충돌하여 원자를 이온화 시키는 단계이다.
시료전류측정단계는 시료금속(30)에 전압을 인가하여 시료금속(30)의 전압에 따른 전류 값을 측정하는 단계이다. 구체적으로 I-V 분석기(50)를 통하여 인가되는 전압을 가변시키면서 전류를 측정하게 되고, 측정 결과 도4와 같은 인가되는 전압에 따른 전류에 대한 그래프를 얻을 수 있고, 이 때의 측정되는 전류를 시료전류(J)로 정의한다.
이차전자전류산출단계는 측정된 시료전류를 통하여 이차전자전류를 산출한다.
시료금속(30) 내부로 입사된 운동에너지를 가지는 전자는 시료를 구성하는 원자 주변의 포텐셜과 탄성 충돌을 하게 된다. 이 때, 전자의 에너지가 충분히 큰 경우에 원자 포텐셜 내부의 코어준위 전자를 전이 시키고 원자를 이온화 시킨다.
위와 같은 과정을 통해서 역탄성충돌 전류(back scattered electron) 또는 이차전자 전류(secondary electron, SE)가 발생하게 되고 전자전공쌍이 생성, 소멸 또는 분리될 수 있다.
구체적으로 도4에서와 같이 측정된 시료전류의 값을 미분하여 도5에 도시된 운동에너지에 따른 이차전자분포에 대한 데이터를 얻는다. 그리고 분포에 대한 개략적인 곡선을 산출하고, 산출된 곡선과 유사한 형태의 곡선이 그려지는 수학식을 선택한다.
Figure 112018094220853-pat00003
선택된 수학식을 통하여 그려지는 그래프와 실제 이차전자분포에 대한 데이터를 피팅하기 위한 피팅상수 n, m을 결정한 다음 인가전압 V에 대하여 적분하여 이차전자전류(Jse)를 구하게 된다. 이를 위한 구체적인 수식은 아래와 같고, 여기서 Δφ는 활성층(A)과 전극(B)의 일함수 차이이다. 도6은 상기의 과정을 통하여 구하여진 이차전자전류(Jse)의 그래프를 나타내는 도면이다.
Figure 112018094220853-pat00004
유효입사전류정의단계에서는 측정된 시료전류(J) 및 산출된 이차전자전류(Jse)의 합을 유효입사전류(JEP)로 정의한다.
즉 도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 전하이동 특성 분석방법에 의할 때 전자선원에 의해 조사된 전자는 시료와의 산란작용 또는 되튀임 현상으로 인해 모두 입사되지 못한다.
종래의 전극을 통한 전하 주입방법의 측정 방법의 경우 유효입사전류(JEP)는 외부에서 결정하여 입사시키는 전류량, 즉 전자빔을 통해 조사되는 에너지의 값(JP)으로 이해되고 있었다.
그러나, 본 발명의 한쪽 전극을 생략한 무전극 전자이동도 측정방법은 전자총(40)을 통해 조사된 전자(JP)는 반사전류(JR), 시료에 입사된 유효입사전류(JEP), 시료의 전자 산란으로 인해 형성되는 이차전자전류(Jse) 및 산란되고 남은 전자들의 행동으로 시료에 인해 형성되는 시료전류(J)로 구분한다.
이 때 유효입사전류(JEP)는 시료전류(J)와 이차전자전류(Jse)의 합으로 정의하며, 이는 시료금속의 수직전하이동의 특성과 관련된다. 따라서 유효입사전류(JEP)를 분석하여 수직전하이동의 특성에 대해서 이해할 수 있다.
유효입사전류(JEP)와 시료금속의 수직방향의 전자이동의 특성의 관계는 다음과 같다.
입자의 입출입이 있는 모든 시스템은 연속방정식인 수식(1)을 만족해야 한다. 본 시스템도 연속 방정식으로부터 물리적 해석을 할 수 있다.
Figure 112018094220853-pat00005
수식(1)
본 실험계에서는 전자빔이 입사되고 있는 시료 내의 어느 국소 지점에 대하여 전하량의 발산이 전하의 확산(diffusion)에 의해 나타나기 때문에 아래의 수식(2)와 같이 표현된다.
Figure 112018094220853-pat00006
수식(2)
여기서 x는 시료의 두께 방향 거리이며 시료의 표면에서 x는 0의 값을 가진다. 시료 내부의 어느 한 지점 x0에서 단위시간당 생성되는 전하의 양은 dρ/dt = dρh/dt + dρe/dt = jEP(x,t) - jSE(x,t)으로 표현할 수 있다. 여기서 jEP(x,t)는 시간 t에 x위치에 입사된 전하밀도를 나타내고 jSE(x,t)는 시간당 전공의 입사밀도이며 이는 시간당 발생하는 secondary electron의 전류밀도와 동일한 값을 가질 것이다. 입사전하밀도 jEP(x,t)는 유효입사전하밀도(effective primary current density)를 의미한다. 수식(2) 에서 양변을 시료 두께 방향 x에 대해서 적분하게 되면 아래와 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112018094220853-pat00007
수식(3)
수식(3) 에서 J는 시료로부터 접지로 흐르는 전류이고 JEP는 유효입사전류, 그리고 JSE는 이차전자에 의한 전류이다. 이차전자전류가 시료로 입사되는 유효입사전자전류에 비례하기 때문에 δEP=JSE/JEP 라고 표현할 수 있고 여기서 δEP는 전자 하나에 의해서 단위시간당 발생되는 이차전자의 수가 된다. 수식(3) 은 CIPE시스템이 정상상태(steady state)에 있을 때 성립한다. 이 때, 절연소재 증 하나인 SiO2 에서도 전자빔 주입 시 정상상태에 이르기까지 10-4 초(sec) 이상 걸리지 않는다.
만일 정상상태에 도달하지 못하고 계속 전하가 축적된다면 실리콘 소재가 파괴될 수 있는 국소 전기장 107 V/cm이 10-2초면 형성되기 때문이며 이러한 일은 잘 발생되지 않는다[A. Miotello, M. Dapor, Phys. Rev. B. 56, 2241 (1997)].
따라서, 대부분의 정상상태에 있는 유사 시스템에서 시료내부의 국부적인 물리적 상태를 알지 못하더라도 소재 내로의 전하입출입의 보존과 관련된 수식(3) 이 성립하고 이때 유효입사전류는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018094220853-pat00008
수식(4)
위 식에서 Δq는 전하분포 미분값으로 표준 시료를 통한 정보로부터 해당 소재에서의 값을 구할 수 있다. 이차전자가 소재로부터 탈출하지 못하는 특정 전압에서는 당연히 δEP=0 이므로 이때 우리는 식 (4)로부터 전하이동도를 구할수 있다.
현재까지 유사한 시스템에 대한 연구에는 유효입사전류(JEP)의 별도의 정의가 없었다. 대신 전자선원에서 조사되는 초기 선원 JP 는 소재에 입사되는 고정 상수이며 소재의 물리적 특성으로 인해서 다양한 형태로 소재에서 빠져나가는 전류량의 변화를 연구하는데 초점이 있었다. 예를 들어, 이차전자 산란단면적 δ와 후방산란단면적 η이 소재의 전기적 특성과 어떻게 의존되는지에 대한 연구가 주를 이루었다. 이 모든 경우에서 JP 는 고정상수이고 소재의 전기적 특성값(유전율, 전하이동도, trap density) 하에서 수식(3) 과 함께 Poisson 방정식을 계산하게 되는데, 추가로 다양한 전기적 경계조건을 설정해서 계산한다.
도 7은 본 발명의 본 발명을 응용하여 유기반도체시료 P3HT (10nm) 의 열처리 온도에 따라 실험적으로 얻은 유효입사전류와 이론 결과로부터 얻은 유효입사전류를 비교한 그래프이다.
구체적으로 P3HT유기 고분자 10nm 길이에 대한 본 발명에서 제시하는 관계식을 통하여 전자 및 전공 이동도 측정 값과 Gaussian 09w package를 이용해서 계산된 전하이동도와의 비교그래프이다. X축은 해당 유기고분자의 결정도이다.
상기 그래프에서 확인할 수 있는 것과 같이 기존에 알려진 방식을 통하여 계산된 전하이동도에 대한 특성과 본 발명에서 제시하는 방법을 통하여 도출되는 전하이동도에 대한 값이 유사하게 도출되는 것을 확인할 수 있다.
기존 전하이동 특성을 측정하는 방법들에서는 측정을 위해 시료에 금속 전극을 증착하는데 이 과정에서 금속 원자의 시료내부 침투 및 계면 특성 변화 때문에, 나노미터 두께의 박막을 가지는 시료의 고유한 수직전하이동 특성 측정이 매우 어려웠다. 또한, 소자 제작 조건에 따라 전하이동도 값의 차이가 발생하여 균일한 결과를 얻기가 힘들기 때문에 이론 계산과 일치하는 결과를 얻기 어려웠다. 본 발명에서 실시간 열처리를 통해 유기반도체시료의 결정도를 변화시켜 가며 얻은 정공 및 전자의 이동특성 실험결과가 이론 계산을 통해 얻은 결과와 잘 일치하는 것을 최초로 확인하였다. 유기물 시료의 경우 전자의 이동은 시료 내부에 산소가 만드는 전하 트랩으로 인해 저하되는데, 전자원을 사용한 경우 30도에서 실험 결과와 이론 계산이 차이를 보였으나 50도로 열처리 한 이후에서는 시료 내부의 산소가 줄어들면서 실험 결과와 이론 계산이 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있다.
도8은 p 타입 실리콘 기판의 온도에 따른 유효입사전류의 값을 나타내는 그래프이다.
도8의 그래프의 도출을 위하여 시료는 저항에 대한 무전극 전하 이동 특성을 파악을 위해 p타입 실리콘 기판을 준비하고 전류 특성을 분석하는 것으로 진행하였다. 시료는 측정을 위해 5 mm × 5 mm 크기로 준비하였다. 실험을 위해 챔버는 3.7 × 10-8 mbar의 압력을 유지했으며, 시료에 전자(630eV 1 × 1mm2)를 조사하였다.
도8을 참조하면, 온도에 따른 유효 입사전류(IEP)의 값을 보여주는 것으로 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명한대로 유효입사전류가 전하의 확산전류에 비례하기 때문이다. 시료의 확산 전류는 소재의 전하이동도, 볼쯔만 상수, 절대온도에 비례한다(μKBT/e). 도 5는 소재의 전하이동도가 일정할 때 온도에 비례하는 확산 전류의 특징을 보여줌으로써 유효입사전류가 확산전류에 비례하는 양이라는 것을 증명된다.
도9 VO2시료의 온도에 따라 구하여진 유효입사전류의 값을 나타낸다.
도9의 그래프의 도출을 위하여 시료는 금속-부도체 상전이가 상온근처에서 일어나는 VO2를 전하 이동도가 큰 Nb가 도핑된 TiO2 기판으로 하여 얇은 박막으로써 준비하였다. 시료는 측정을 위해 5 mm × 5 mm 크기로 준비하였다. 실험을 위해 챔버는 3.7 × 10-8 mbar의 압력을 유지했으며, 시료에 전자(630eV 1 × 1mm2)를 조사하였다.
앞에서 유효입사전류가 전하의 수직 확산 전류에 비례한다는 것을 증명하고 설명하였다. VO2시료의 전하이동특성은 측정이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 주로 홀효과(Hall effect) 측정법을 통해서 수평방향의 홀이동도(Hall mobility)가 측정되어지는데 홀이동도가 매우 작고 또 높은 전하밀도로 인해서 홀전압(Hall voltage) 또한 매우 작기 때문에 최근에 보고된 결과들도 서로 일치하지 않는 경우가 많다[참조:J. Appl. Phys., 113, 043707 (2013), Phys. Rev. Lett., 115, 196401 (2015)]. 본 사례는 22 nm두께의 VO2 시료의 수직방향 전하이동도 변화를 전극없이 최초로 측정한 결과이다. 이를 통하여 소재의 특정 지점에서의 전자 또는 정공의 이동특성에 대한 분석이 가능하게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 챔버
20: 홀더
30: 시료
40: 광자 공급기
50: 가변전압기 및 전류측정기
60: 전자회로

Claims (10)

  1. 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되는 전자총, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 전자총과 대향되게 구비되는 시료금속으로 이루어진 장치에 있어서,
    전자총을 통하여 시료금속에 전자를 조사하는 전자조사단계;
    상기 시료금속에 전압을 인가하는 측정되는 상기 시료금속의 전압에 따른 시료전류을 측정하는 시료전류측정단계;
    상기 측정된 시료전류를 통하여 이차전자전류를 산출하는 이차전자전류산출단계; 및
    상기 측정된 시료전류 및 산출된 이차전자전류의 합을 유효입사전류로 정의하는 유효입사전류정의단계를 포함하고,
    상기 정의된 유효입사전류의 값 및 (수식4)를 이용하여 시료금속에서의 전자의 이동도를 측정하는 전자이동도 측정단계를 더 포함하며,
    Figure 112020077020204-pat00009
    (수식4)
    여기서 JEP는 유효입사전류, μ는 전하이동도, δEP는 전자 하나에 의해서 단위시간당 발생되는 이차전자의 수, KB는 볼츠만상수, T는 절대온도, ∇q은 시료내 전하분포미분, e는 전자의 전하량이다.
    상기 이차전자전류산출단계는,
    상기 측정된 시료전류의 값을 미분하여 운동에너지에 따른 이차전자분포에 대한 데이터를 확보하는 과정
    확보된 데이터의 분포에 대한 개략적인 곡선을 산출하고,
    산출된 곡선과 유사한 형태의 곡선이 도출되는 수학식을 선택하는 과정;
    상기 도출된 수학식에 따른 그래프를 상기 데이터의 분포에 대한 곡선으로 피팅하는 과정 및 피팅된 곡선을 전압에 대하여 적분하여 이차전자전류 데이터를 확보하는 과정을 포함하는 전자 이동도 측정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도출되는 수학식은 운동에너지(Ek)에 대한 이차전자전류(Jse)에 대한 아래 수식과 같고,
    Figure 112020503157221-pat00020

    상기 수학식과 상기 데이터의 분포에 대한 곡선을 피팅하는 과정에서는 양자가 일치하도록 상기 수학식에서 n, m을 결정을 하는 것으로 정의하고,
    상기 피팅된 곡선을 전압에 대하여 적분하여 이차전자전류 데이터를 확보하는 과정은 아래의 수학식을 통하여 확보하는 전자 이동도 측정방법.
    Figure 112020503157221-pat00021

    여기서 Δφ는 활성층(A)과 전극(B)의 일함수 차이이다.
  3. 삭제
  4. 밀폐된 공간을 이루는 챔버, 상기 챔버에 구비되는 광자공급기, 상기 밀폐된 공간 내에 상기 광자공급기와 대향되게 구비되는 시료금속으로 이루어진 장치에 있어서,
    광자공급기을 통하여 시료금속에 광자를 조사하는 전자조사단계;
    상기 시료금속에 전압을 인가하는 측정되는 상기 시료금속의 전압에 따른 시료전류을 측정하는 시료전류측정단계;
    상기 측정된 시료전류를 통하여 이차전자전류를 산출하는 이차전자전류산출단계;
    상기 측정된 시료전류 및 산출된 이차전자전류의 합을 유효입사전류로 정의하는 유효입사전류정의단계를 포함하고,
    상기 정의된 유효입사전류의 값 및 (수식4)를 이용하여시료금속에서의 정공이동도를 측정하는 정공이동도 측정단계를 더 포함하며,
    Figure 112020077020204-pat00010
    (수식4)
    여기서 JEP는 유효입사전류, μ는 전하이동도, δEP는 전자 하나에 의해서 단위시간당 발생되는 이차전자의 수, KB는 볼츠만상수, T는 절대온도, ∇q은 시료내 전하분포미분, e는 전자의 전하량이다.
    상기 이차전자전류산출단계는,
    상기 측정된 시료전류의 값을 미분하여 운동에너지에 따른 이차전자분포에 대한 데이터를 확보하는 과정, 확보된 데이터의 분포에 대한 개략적인 곡선을 산출하고, 산출된 곡선과 유사한 형태의 곡선이 도출되는 수학식을 선택하는 과정, 상기 도출된 수학식에 따른 그래프를 상기 데이터의 분포에 대한 곡선으로 피팅하는 과정 및 피팅된 곡선을 전압에 대하여 적분하여 이차전자전류 데이터를 확보하는 과정을 포함하는 정공이동도 측정방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도출되는 수학식은 운동에너지(Ek)에 대한 이차전자전류(Jse)에 대한 아래 수식과 같고,
    Figure 112020503157221-pat00022

    상기 수학식과 상기 데이터의 분포에 대한 곡선을 피팅하는 과정에서는 양자가 일치하도록 상기 수학식에서 n, m을 결정을 하는 것으로 정의하고,
    상기 피팅된 곡선을 전압에 대하여 적분하여 이차전자전류 데이터를 확보하는 과정은 아래의 수학식을 통하여 확보하는 정공이동도 측정방법.
    Figure 112020503157221-pat00023

    여기서 Δφ는 활성층(A)과 전극(B)의 일함수 차이이다.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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