KR20170140659A - 전자 소재 분석을 위한 단일 전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법에 관한 것으로, 한쪽 금속전극을 생략하고 외부 전자 또는 빛을 시료 표면에 조사하여 전하를 주입시키고, 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의해 발생된 전류 및 인가 전압을 이용해 상전이를 유도하여 상전이를 측정하여 전자 소재를 분석함으로써 금속전극 생략 및 비파괴 분광 및 산란 실험을 가능하게 하고, 기존에 상전이 소재의 I-V 특성을 분석하기 위해서는 패터닝 공정을 포함하는 금속전극 형성과정이 반드시 필요하였으나 본 발명의 방법을 이용하면 소재가 박막형태에서 바로 I-V특성을 확인해 볼 수 있어서 금속전극 형성을 위한 공정비용과 관련 노력을 획기적으로 줄일 수 있으며, 전자 또는 전공에 의한 전류를 제어할 수 있어서 전하수송자의 종류에 따른 전류 및 관련 현상을 탐구할 수 있는 기회를 제공할 뿐만 아니라 금속전극을 이용한 I-V특성 분석에서 금속/소재 계면의 불완전성에 기인한 불필요한 부가 효과(계면효과)를 배제할 수 있는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.
Description
본 발명은 금속전극 대신 기능성 전자소재에 전하수송자를 진공 하에서 직접 주입하는 방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한쪽의 금속 전극을 생략하고 외부 전자 또는 빛을 시료의 표면에 조사하여 전하를 주입함으로써 전자소재 개발 및 분석 과정에서 금속 전극의 패터닝 과정을 생략할 수 있고 금속/소재 계면에 의한 불가피한 현상을 구분 및 배제할 수 있으며, 전하 이동도 외에 전하의 확산 평균길이 (diffusion length), 표면재결합속도 (surface recombination velocity), 유전상수변화 등에 대한 정보를 추가로 제공할 수 있으며 더욱이 소재에 인가하는 전압에 따라서 진정한 단일 극성 전하 수송자에 의한 전류 특성을 분석할 수 있고 전류 동역학을 이해하는데 활용될 수 있는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법에 관한 것이다.
전자 소재는 광학, 센서, 메모리, 스위칭, 디스플레이 등 일상 생활 모든 영역의 일부가 되었고 효율성, 편의성, 환경친화적 미래가치를 개발/선점하기 위한 각국의 기술 개발 전쟁이 뜨겁다. 이러한 전자 소재의 핵심 기능은 전적으로 전하의 흐름과 직접적으로 연관되어 있다. 소재 내에서의 전자, 전공의 이동도, 소재의 유전율, 전자전공 쌍 생성 및 소멸에 관련한 시간 거동 및 광자와의 관계 등은 소재의 기능 메커니즘을 이해할 수 있는 핵심 연구주제들이다.
이들에 대한 기초 연구는 x-선을 활용한 분광학 및 구조분석이 핵심을 이루며 이를 통하여 소재의 물리/화학적 정보, 페르미 준위 근처의 전자구조 정보 그리고 결정구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이와 관련하여 좀 더 깊이 있고 나아가 새로운 물리 환경에서의 물성분석을 위해서 선진 기술 강국들에서는 경쟁적으로 새로운 분석기법 개발에 천문학적인 투자를 하고 있다. 역사적으로 혁신적인 기술들은 새로운 물성을 탐구할 수 있는 분석기술의 등장과 함께해 왔다는 점은 주지할 만하다.
공정이 완료된 소자가 실제 동작하는 동안 소자를 구성하는 각 기능성 소재에서 일어나는 현상은 원천적으로 분광 및 구조 분석 연구를 수행할 수 없다. 이러한 점 때문에 소자의 성능을 개선하는 과정은 늘 간접적이고 고비용의 업무가 되어 왔다.
적용분야 중 최근 비휘발성 메모리에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 또한 다변화되고 있지만 기존의 플래시 메모리(flash memory)는 집적도에서 한계에 접근하고 있다. 이러한 상황에서 치열하게 개발 경쟁이 벌어지고 있는 차세대 후보 메모리가 저항변화 메모리 소자이다. 이 저항변화 메모리 소자는 금속전극/기능성 소재/금속전극이라는 간단한 구조를 지닌다. 양 전극 간에 전위차를 주면 전극에서 기능성 소재로 전하가 주입이 되고, 여기서 발생하는 기능성 소재의 저항변화 특성을 메모리 소자로서 이용하는 것이다.
한편, 이러한 소재를 상용화하기 위해서는 아직 극복해야할 과제들이 많이 남아 있다. 예를 들어 동작 전압 및 전류가 넓은 산포를 가지고 있으나 이를 좁은 허용 조건에 수렴시켜서 소자의 신뢰도를 높여야 한다. 또한, 열적 안정성, 응답속도 및 집적도에 관련한 다양한 변수들에 대한 정밀 관리 및 개선 능력은 모두 해당 산업의 경쟁력과 직결되며 이를 위해서는 소재의 메커니즘에 관한 깊은 이해가 필수적이다. 그러나, 이 기능성 소재의 상전이 이전의 물리/화학적 구조 분석은 쉽게 가능하나 상전이 이후 변화된 물리/화학적 변화에 대한 직접적인 관찰은 불가능하였다. 왜냐하면, 상전이 된 물질을 분석하려면 전하 주입용 한쪽 금속전극을 제거해야 하고 더욱이, 금속전극을 제거하는 과정에서 상전이 물질 표면에 물리/화학적 손상을 입히기 때문이다.
전자 소재 특히 불휘발성 반도체 메모리 소자에 전하를 주입하는 종래의 기술로는 일본국 특허공개 제2007-242067호의 "불휘발성 반도체 메모리 소자 및 그 전하 주입방법"이 일본국 공개특허공보에 개시되어 있다(특허문헌 1 참조).
상기 일본국 특허공개 제2007-242067호의 "불휘발성 반도체 메모리 소자 및 그 전하 주입방법"은 전하를 주입할 경우, 제1 및 제2비트선(BLj, BLk)의 한 방향을 다른 쪽보다 높은 전압으로 하고, 전하를 주입하지 않을 경우는 양쪽 비트선을 동전위로 하는 제1스텝과, 선택된 워드라인에 전하 주입을 위한 게이트 전압을 인가하는 제2스텝을 소유하고, 제1 및 제2스텝을 소정의 순서로 실행하는 것을 N개의 트랜지스터 군내에서 선택하는 메모리 트랜지스터를 변경하면서 N회 실행하며, 그 때에, 트랜지스터 군내의 대략 반수(N/2 또는 N/2에 가장 가까운 정수)에 전하주입을 할 때는, 제1스텝에 있어서 제1비트선(BLj)의 전압을 제2비트 선의 전압(BLk)보다 높게 해, 나머지의 대략 반수로 전하주입을 할 때는, 제2비트선(BLj, BLk)의 전압의 대소관계를 반대로 하는 것이다.
그러나 이러한 종래의 불휘발성 반도체 메모리 소자에 전하를 주입하는 방법은 단지 전자 소자에 전하를 주입할 수 있지만, 전하의 주입으로 전자 소재를 분석할 수 없는 것이다.
저항변화 메모리 소자는 기존의 메모리 소자에 비해 간단한 소자구조, 높은 집적도, 빠른 동작속도 및 낮은 구동전압 등의 장점들이 있지만, 전위차에 의한 저항 변화가 일정하지 않은 점이 기존의 메모리 소자를 대체 하는 데 있어 가장 큰 난제라고 할 수 있다. 저항변화의 균일성을 개선하기 위해서는 저항변화 메커니즘을 이해해야 한다.
앞서 연구된 대표적인 사례들을 설명하자면, 접촉식 원자 힘 현미경(C-AFM; conducting atomic force microscope)을 사용한 연구에서는 시료의 국부 지역에서 1차원적 필라멘트의 전류 경로가 형성된다는 것을 보고했지만 이 방법으로는 저항변화 이전과 이후의 소재의 물리/화학적 변화에 관한 직접적인 정보를 제공해주지는 않는다. 또한 투사전자현미경(TEM; Transmission electron microscope)을 사용한 연구에서는 산소의 화학조성 변화가 있음은 시사해 주지만, 샘플 준비 과정 중에 시료에 어떤 불리한 영향을 줄 수 있다는 점과 실험에 사용할 수 있는 소재도 제한이 있다. 더욱이 저항변화에 따른 시료의 물리/화학적 변화를 얻을 수 없다는 것이 큰 단점이다.
현재까지 많은 연구자가 다양한 저항변화 메커니즘을 제안했지만, 전기 특성분석, 계산 등과 같은 간접적 방법에 의한 이해만이 가능한 상황이었다. 따라서, 저항변화 현상에 대한 이해가 매우 부족한 상황이며 소재의 직접적인 물리/화학적 분석을 할 수 있는 새로운 기술적 대안이 필요한 상황이다.
본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 전자 소재에 전하를 주입하는 방법에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 전하 전달 입자(전자, 전공)의 시료 주입 및 시료에 전계효과를 적절히 인가해 주어 소재의 말단 금속전극 형성 공정을 생략하고 전하를 진공에서 직접 주입하여 즉시 분석할 수 있고, 전기적 상전이 전/후 상태에 있는 소재의 x-선 분광 및 산란 기법을 이용해서 전자구조/물리/화학구조에 대한 분석적 정보를 얻을 수 있는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 고온의 전하 주입 및 시료에 인가된 전압의 영향으로 형성되는 시료에 흐르는 전류 특성으로부터 추가적인 소재물성 정보를 제공하고, 소수 전하이송자(minority carrier) 이동 현상 및 관련 현상을 탐구할 수 있는 기회를 부여하며, 고비용이 발생하는 소재의 금속전극 형성 공정을 생략한 상태에서 소재의 기능을 평가할 수 있게 되어 소재 평가 비용을 절감할 수 있는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 전극을 통한 전하 주입방법 대신 전극을 생략하고 광전자효과 또는 전자총을 이용한 전자 주입을 통하여 전하를 선택적으로 주입하여 상전이를 유도하고 즉시 분광 및 구조 분석을 하게 된다. 금속전극이 붙어있지 않은 시료에 광자를 조사하고 생성된 광전자는 시료 표면에 양의 부하를 띤 정공을 남기게 된다.
또한, 100meV ∼ 50KeV 영역에서 선택된 운동에너지를 가지는 전자를 주입하여 음전하를 시료표면에 남기게 한다. 이때 시료의 하부전극과 접지 사이에 전압을 변화시키면 전자-전공쌍의 분리현상과 잉여 전하가 하부 전극 쪽으로 흘러서 I-V 특성 곡선을 얻게 된다. 특정 전류 또는 전압에서 상전이가 발견되면 즉시 광원을 통해서 시료를 분석할 수 있으며 시료가 대기에 노출되는 과정이 없기 때문에 대기 노출에 민감한 x-선 분광실험 및 x-선 산란실험을 즉시 실시할 수 있게 된다.
종래의 저항변화 메모리소자에 사용되는 기능성 소재의 직접적인 분석에 있어 양쪽의 금속전극이 장애가 되어왔다. 분석을 위해 한쪽 금속을 제거하게 될 경우 시료와의 계면에 손상이 가해질 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 기존의 금속전극을 통한 전하주입 대신 100 meV ∼ 50 KeV의 빛 또는 전자를 시료에 조사하여 광전자에 의한 전공주입 및 전자를 시료 표면에 직접 주입하게 된다. 이렇게 주입된 전하 입자는 전자-전공 쌍(electron-hole pair)을 생성시키고 시료 내부에 인가된 전기장에 의해 전자-전공 쌍의 분리 및 전류가 흐르게 된다. 시료의 전기장 인가를 위하여 시료의 하부 전극에 전압을 일정하게 걸어주거나 변화시킨다. 이때 목표 전기장을 충분히 얻기 위해서 빛이 조사되는 지역 주변에 비 접촉성 전계효과 전극을 접근시킬 수도 있게 구성된다. 시료 하부전극에서 접지로 흐르는 전류 특성 곡선은 시료의 전기적 상전이 정보를 포함하게 된다.
상전이 유도 이후 동일 위치에 대한 x-선 등을 활용한 분광 및 산란, 마이크로스코피 분석을 수행할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법은 한쪽 금속전극을 생략하고 외부 전자 또는 빛을 시료 표면에 조사하여 전하를 주입시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전하 전달 입자(전자, 전공)의 시료 주입 및 시료에 전계효과를 적절히 인가해 주어 소재의 말단 금속전극 형성 공정을 생략하고 전하를 진공에서 직접 주입하여 즉시 분석할 수 있고, 전기적 상전이 전/후 상태에 있는 소재의 x-선 분광 및 산란 기법을 이용해서 전자구조/물리/화학구조에 대한 분석적 정보를 얻을 수 있으며, 전자 소재를 적용한 소자의 최종 기능은 말단 공정으로 금속전극까지 형성시킨 후 전류를 흘려주거나 전류/전압을 측정하여 평가하고, 진정한 단일 전하(unipolar) 이동 현상 및 관련 현상을 탐구할 수 있는 기회를 부여하며, 고비용이 발생하는 소재의 금속전극 형성 공정을 생략한 상태에서 소재의 기능을 평가할 수 있게 되어 소재 평가 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존 비휘발성 메모리 시장에서 강력한 후보 소재인 저항변화 메모리소자에 사용되는 기능성 소재의 메커니즘을 규명할 수 있는 완전히 새로운 분석기술을 제공할 것으로 기대되며, 저항변화 메모리소자뿐만 아니라 기존의 금속전극으로 인해 소자 내부에 있는 기능성 소재의 직접적인 물리/화학적 분석이 필요한 다양한 연구분야에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기술적 난제를 극복하고 세계적 경쟁력을 확보하는데 활용될 것으로 기대되며, 그 구체적인 효과는 아래와 같다.
첫째, 금속전극 생략 및 비파괴 분광 및 산란 실험을 가능하게 한다.
둘째, 기존에 상전이 소재의 I-V 특성을 분석하기 위해서는 패터닝 공정을 포함하는 금속전극 형성과정이 반드시 필요하였으나 본 발명의 방법을 이용하면 소재가 박막형태에서 바로 I-V특성을 확인해 볼 수 있어서 금속전극 형성을 위한 공정비용과 관련 노력을 획기적으로 줄일 수 있다.
셋째, 전자 및 빛에 의한 전하주입은 시간적으로 충분히 짧은 펄스의 형태로 주입이 가능하므로 이를 이용한 동역학 실험 기회를 포함한다.
넷째, 금속전극을 이용한 I-V특성 분석에서 금속/소재 계면의 불완전성에 기인한 불필요한 부가 효과(계면효과)를 배제할 수 있다.
다섯째, 전자-전공 쌍의 생성과 잉여 전하 수송자가 시료에 인가된 전압에 대해 보이는 전류 특성을 분석함으로서 유전율, 수송자확산평균길이, 표면재결합속도 등에 대한 부가적인 물성정보를 제공해 준다.
도 1은 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 실행하는 장치의 개념도,
도 2는 본 발명에 채용된 저항변화 기능성 소재 시료의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 자외선을 이용한 무전극 전하주입 및 분석을 실행하는 장치의 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 자외선을 이용하여 무전극 전하주입을 실시하고 소재의 전기적 상전이를 얻은 결과를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 전하주입 영역과 같은 지점을 조사하도록 정렬되어 있는 x-선을 이용하여 상전이 전과 후의 시료 상태를 분광 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 전자원을 이용하여 무전극 전하주입을 실시하고 소재의 전기적 상전이를 얻은 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 채용된 저항변화 기능성 소재 시료의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 자외선을 이용한 무전극 전하주입 및 분석을 실행하는 장치의 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 자외선을 이용하여 무전극 전하주입을 실시하고 소재의 전기적 상전이를 얻은 결과를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 전하주입 영역과 같은 지점을 조사하도록 정렬되어 있는 x-선을 이용하여 상전이 전과 후의 시료 상태를 분광 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 전자원을 이용하여 무전극 전하주입을 실시하고 소재의 전기적 상전이를 얻은 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법을 바람직한 실시예로서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 실행하는 장치의 개념도, 도 2는 본 발명에 채용된 저항변화 기능성 소재 시료의 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 자외선을 이용한 무전극 전하주입 및 분석을 실행하는 장치의 개략도, 도 4는 본 발명에 따른 자외선을 이용하여 무전극 전하주입을 실시하고 소재의 전기적 상전이를 얻은 결과를 나타낸 그래프, 도 5는 본 발명에 따른 전하주입 영역과 같은 지점을 조사하도록 정렬되어 있는 x-선을 이용하여 상전이 전과 후의 시료 상태를 분광 분석한 결과를 나타낸 그래프, 도 6은 본 발명에 따른 전자원을 이용하여 무전극 전하주입을 실시하고 소재의 전기적 상전이를 얻은 결과를 나타낸 그래프로서, 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법은 한쪽 금속전극을 생략하고 외부 전자 또는 빛을 시료 표면에 조사하여 전하를 주입시킨다.
상기 전하주입 방법은 진공 챔버 내에서 전자 또는 빛의 조사로 인해서 시료 내부에 생성된 전자-전공 쌍의 분리 및 전류 발생을 위한 시료 내 전기장 인가를 위해 기능성 소재 하부 전극 사이에 적절한(전하 극성에 따른) 전압을 인가하여 전압을 연속적 변화시키는 것이 바람직하다.
상기 전하주입 방법은 전자 또는 빛의 조사로 인해서 시료 내부에 생성된 전자-전공쌍의 분리 및 전류 발생을 위한 시료 내 전기장 인가를 위해 무 접촉성 금속 게이트 전극을 전자나 빛의 조사 지점 근처에 접근시키고 전압을 인가하여 전압을 연속적으로 변화시키는 것이 바람직하다.
상기 전하주입 방법은 전자 또는 빛의 조사로 인해서 발생한 전자-전공쌍 중 특정 극성의 전하를 접지쪽으로 흐르게 하는 전압을 선택하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법은 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의해 발생된 전류 및 인가 전압을 이용해 상전이를 유도하여 상전이를 측정함으로써 달성된다.
상기 전자 소재 분석방법은 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의한 상전이를 유도해 상전이 전과 후에 대하여 x-선, 전자, 중성자 등 탐침 입자의 조사 및 반응의 계측을 통해서 물성을 분석하는 것이 바람직하다.
상기 전자 소재 분석방법은 한쪽 전극을 생략한 채 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의해 전류를 발생시켜 소재의 반응을(광학적, 열적, 상변이 등) 유도하거나 및 소재의 물성정보를 계측하는 것이 바람직하다.
상기 전자 소재 분석방법은 한쪽 전극을 생략한 채 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛을 펄스형태로 조사하여 전류의 극성에 따른 반응 동역학을 계측하는 것이 바람직하다.
그리고, 전자 소재 분석방법은 무전극 전하 기법에 의한 전류 및 전압의 상관관계로부터 소재의 이동도 및 유전상수, 전하수송자 확산평균거리, 표면재결합속도 등에 관한 정보를 획득하는 것이 바람직하다.
다음에는 상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법의 작용을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 실행하는 장치의 개념도 이다. 도 1에서 도면부호 10은 고진공 챔버를 나타내고, 고진공 챔버(10)에는 실험을 위한 샘플홀더, 진공펌프, 전자총, 광자공급기, 탐색을 위한 x-선원(또는 전자, 중성자 등) 및 I-V분석기가 연결이 되어있으며 전기적으로는 접지상태이다.
도면부호 20은 시료(기능성 소재)를 붙이기 위한 샘플홀더이다. 전도성이 매우 좋은 금속으로 목적에 따라서 일함수를 고려하여 재질을 선택할 수 있다. 시료를 장착하기 위한 구조가 추가되어 있으며 상황에 따라 은 페이스트(Silver paste)나 카본 테이프(carbon tape) 등을 이용해 시료를 샘플홀더(20)에 붙일 수 있다. 위치조절기를 통한 상하좌우 방향조절이 가능하다.
도면부호 30은 분석을 필요로 하는 시료이다. 기능성 소재 단층 또는 다층으로 구성되며 제일 하부에는 하부 금속전극이 있다. 도면부호 40은 소재 내부에 전기장을 형성시켜주기 위한 프린지전극(fringe electrode)이다. 금속전극은 진공 또는 높은 유전율을 가지는 물질에 의해서 시료(30)의 표면과 전기적으로 분리되어 있다. 누설 전류는 주 신호전류의 1/100 수준 이하로 유지된다.
도면부호 50은 상기 샘플홀더(20)와 접지 사이에 전압을 인가하고 이때 접지로 흐르는 전류를 측정하는 전자회로이다. 인가된 전압은 대부분 진공 영역에서 감압되어 시료(30) 내에 약한 전기장을 형성한다.
도면부호 60은 시료(30) 내부에 강한 전기장을 형성시키기 위한 금속전극에 전압을 인가해 주는 전압 공급장치이며 누설전류를 측정하는 기능을 함께 수행한다.
도면부호 70은 시료(30) 표면에 전자-전공 쌍극자 형성 및 광여기 전자에 의한 전공을 주입하기 위한 광자 공급기로 목적에 따라 다양한 광자 에너지가 선택된다.
도면부호 80은 시료(30)의 물리/화학적 분석을 위한 탐색입자 공급통로이며, 시료(30)의 분석을 위해 사용된다.
도면부호 90은 전자총으로 시료(30) 표면에 전자-전공 쌍극자 형성 및 전자를 주입하며, 목적에 따라 다양한 운동에너지가 선택된다.
도 2는 도 1의 샘플홀더(20)에 부착된 시료의 상세를 보여준다. A는 단층 또는 다층의 전자소재 박막이며, B는 일함수를 고려하여 선택된 하부 전극층이다. 하부 전극(B)은 금속 및 투명전극(transparent electrode) 등으로 구성된다.
A는 기능성 소재(저항변화, 광학, 센서 등)로서 유기물 및 무기물 활성층이다. 이런 활성층은 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 정전기 코팅, 딥 코팅, 블레이트 코팅, 잉크젯 코팅, 롤 코팅, 열 증발 증착(thermal evaporation) 및 전자빔 증착(e-beam evaporation) 등의 방법으로 제작되며 목적에 따라서 단층 또는 다층을 가진다.
B는 전압 및 전류를 위한 전극이다. 투명전극, 금, 은, 백금, 구리, 코발트, 니켈, 주석, 알루미튬, 인듐틴옥사이드, 티타늄 또는 이들의 조합으로 구성되는 군 및 저저항 실리콘 웨이퍼에서 선택될 수 있는 것을 특징으로 한다.
실시예
본 발명에서 개발된 무전극 전하주입 방법을 이용한 저항변화 기능성 소재의 물리/화학 분석의 예를 실시한다. 이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하되, 본 발명이 하기 실시예만 한정되는 것은 아니다.
가. 자외선을 이용한 전하주입 및 분광분석의
실시예
실리콘 기판 위에 열산화 반응(thermal oxidation)을 통해 절연막(SiO2)을 형성시킨 후, 그 위에 전자빔(electron beam)를 이용하여 300nm 두께를 가지는 Al 하부 전극 기판을 준비하였다.
기존에 저항변화 메모리 특성을 나타내는 고분자 유기물 시료인 poly(4, 4h exafluoroisopropylidenediphthalimide)(6F-TPA PI)를 사용하였으며, 이 고분자를 싸이클로 펜타논 용매에 용해시켰다.
이 용액을 0.2 마이크로필터의 실린지 필터로 걸러 내어낸 용액을 전극에 스핀코팅 한 후, 진공상태 80℃에서 약 5시간 동안 열처리를 하여 전극 위에 10nm 두께의 고분자 활성층을 가지는 박막을 만들었다. 이때 활성층의 두께는 타원 편광기 (Ellipsometry)를 이용하여 측정하였다.
이러한 과정으로 Si/SiO2/Al(300nm)/6F-TPA-PI(10nm)의 샘플제작을 완료하였다. 시료는 측정을 위해 5 × 10mm 크기로 준비하였다.
실험을 위해 챔버는 5.3 × 10-10 mbar의 압력을 유지했으며, 시료에 정공 주입을 위해 자외선 광자(21.2 eV, 1 × 1 mm2)를 조사하였다.
도면 3은 자외선을 이용하여 시연한 개략도를 나타내었다. 방법은 아래와 같다.
1. He I line source와 방사광으로부터 나온 x-선이 시료의 동일한 위치를 조사하도록 장치를 정렬한다. X-선만 시료에 조사하여 물질의 상전이 이전의 화학적구조 및 전자구조를 분석한다. 또한 x-선 조사에 대해서 물질의 변화가 생기지 않는지 확인한다. X-선만 조사 종료한다.
2. 시간에 대해 빛의 밝기가 일정한 He I 광원을 이용하여 상전이 물질에 조사한다. 이때, 상전이 물질의 뒤쪽 전극과 챔버 사이의 전압을 증가시키면서 전기적 상전이를(I-V측정) 기록한다. 필요에 따라서는 유동적 전극을 이용하여 시료내 전기장을 증가시킨다. 빛을 조사할 때 발생하는 광전자는 물질표면에 전공 및 전자- 전공 쌍을 남기게(주입하게) 된다.
3. 전기적 상전이(I-V 상에서 저항변화)가 나타나면 He I line은 끄고 x-선을 조사하여 물질의 화학적 구조 변화, 페르미준위 근처의 전자구조 변화 등을 XPS, NEXAFS 등을 이용하여 분석하고, 그 결과 I-V를 도 4에 그래프로 나타냈다.
도 4로부터 분명한 바와 같이 챔버와 시료 사이에 전압이 대부분 진공영역에 걸리게 되어 결과적으로 상전이 전압이 높게 나타났다.
도 5는 자외선 무전극 전하주입을 통한 소재의 상전이 전과 후의 상태에 대한 x-선 분광 분석실험을 진행한 결과이다. 제일 왼쪽그래프는 x-선 흡수 분광그래프로서 산소 이중결합 부위의 화학적 구조에 변화가 생겼음을 보여준다. 가운데 그래프는 탄소 준위를 측정한 것으로 산소 이중결합 주위에 상전이로 인한 화학적 형태가 바뀐 것을 확인할 수 있었다. 오른쪽 그래프는 가전자대 그래프로 상전이에 의한 전공 주입 장벽이 높아진 것을 직접적으로 보여주며 저항 변화를 그대로 보여준다.
나.
전자원을
이용한 전하주입
실시예
전하주입 및 전자-전공쌍 생성원으로서 전자를 이용하였다. 장치의 구조는 도 1과 같다. 시료(30)는 고분자 시료를 이용하였다. 소재 내부에 인가되는 전기장을 높이기 위해서 프린지전극(40; fringe electrode)에 전압을 인가하였으며 인가된 전기장을 x-축으로 하였을 때 시료에 흐르는 전류를 측정하고 그 측정 결과 I-V를 도 6에 그래프로 나타냈다.
도 6으로부터 분명하게 알 수 있는 바와 같이 유동전극 전압이 -5 V일 때 상전이를 관측할수 있었다. 상전이 후 2번째 측정은 소재가 상전이 후의 상태를 유지함을 보였다. 도 6의 I-V결과에서 프린지전극(40)과 시료(30)에 인가된 전압이 0일 때 흐르는 전류는 입사된 전하의 밀도가 시료(30) 표면에서 높아짐으로 인해서 확산전류가 형성된 결과이다.
이를 통해서 시료의 전하 이동도(charged carrier mobility)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 프린지전극(40)에 전압이 인가될 때 전류와 전압의 상관관계로부터 소재의 유전율 변화에 관한 정보를 얻을 수 있었다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
본 발명은 첫째, 각종 전자소재의 개발 과정에서 I-V물성 분석을 고비용의 전극 패터닝 공정 없이 수행할 수 있는 기회를 제공하여 저비용, 개발시간 단축에 기여 할 것이다. 둘째, 전자 또는 전공을 선택적으로 전하 수송 및 주 전류 기여자로 제어 할 수 있어서 목표한 소자의 전자 구조 디자인 및 이를 이용한 맞춤형 소재 개발에 대한 정보를 제공해줄 것이다. 셋째, 디스플레이 소재의 발광 균질성 테스트를 수행할 수 있는 기회를 준다. 넷째, 전하 인가 시간 및 반응 전류시간에 대한 동역학적 정보를 얻을 수 있으며 광소재에서 전자-전공쌍 분리에 관한 소재 개발에 도움을 줄 것이다. 다섯째, 비파괴 분광 및 구조 분석을 가능하게 한다. 여섯째, 전극/소재 계면에 의한 영향 평가에 이용될 수 있다. 마지막으로 기존 I-V 결과에서는 얻을 수 없었던 유전율 등에 관한 정보를 추가로 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
10 : 고진공 챔버 20 : 샘플홀더
30 : 시료 40 : 프린지전극
50 : 전자회로 60 : 전압 공급장치
70 : 광자 공급기 80 : 탐색입자 공급통로
90 : 전자총
30 : 시료 40 : 프린지전극
50 : 전자회로 60 : 전압 공급장치
70 : 광자 공급기 80 : 탐색입자 공급통로
90 : 전자총
Claims (12)
- 한쪽 금속전극을 생략하고 외부 전자 또는 빛을 시료 표면에 조사하면서 시료 내부에 적절한 전압을 형성시켜 발생하는 전류를 이용하거나 분석하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전자 또는 빛의 조사로 인해서 시료 내부에 생성된 전자-전공 쌍의 분리 및 전류 발생을 위한 시료 내 전기장 인가를 위해 기능성 소재 하부 전극 사이에 전하 극성에 따른 전압을 인가하여 전압을 연속적 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전자 또는 빛의 조사로 인해서 시료 내부에 생성된 전자-전공쌍의 분리 및 전류 발생을 위한 시료 내 전기장 인가를 위해 무 접촉성 금속 게이트 전극을 전자나 빛의 조사 지점 근처에 접근시키고 전압을 인가하여 전압을 연속적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 전자 또는 빛의 조사로 인해서 발생한 전자-전공쌍 중 특정 극성의 전하를 접지쪽으로 흐르게 하는 전압을 선택하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법.
- 제 1항 내지 제 4항 주 어느 한 항에 있어서, 조사되는 전자 또는 빛의 에너지는 100 meV ∼ 50 KeV 인 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법.
- 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의해 발생된 전류 및 인가 전압을 이용해 상전이를 유도하여 상전이를 측정하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
- 제 6항에 있어서, 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의한 상전이를 유도해 상전이 전과 후에 대하여 x-선, 전자, 중성자 등 탐침 입자의 조사 및 반응의 계측을 통해서 물성을 분석하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
- 제 6항에 있어서, 한쪽 전극을 생략한 채 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛의 조사에 의해 전류를 발생시켜 소재의 반응을 유도 및 계측하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 반응이 광학적 반응, 열적 반응, 상변이 반응 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
- 제 6항에 있어서, 한쪽 전극을 생략한 채 시료 내부에 전압을 인가하고, 전자 또는 빛을 펄스형태로 조사하여 전류의 극성에 따른 반응 동역학을 계측하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
- 제 6항에 있어서, 무전극 전하 기법에 의한 전류 및 전압의 상관관계로부터 소재의 이동도 및 유전상수에 관한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
- 제 6항에 있어서, 무전극 전하 기법에 의한 전류 및 전압의 상관관계로부터 소재의 이동도 및 유전상수, 전하수송자확산평균거리, 표면재결합속도에 관한 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 전자 소재 분석을 위한 무전극 전하 주입방법을 이용한 전자 소재 분석방법.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020160073251A KR20170140659A (ko) | 2016-06-13 | 2016-06-13 | 전자 소재 분석을 위한 단일 전극 전하 주입방법 및 이를 이용한 전자 소재 분석방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20170140659A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019059689A1 (ko) * | 2017-09-20 | 2019-03-28 | 포항공과대학교 산학협력단 | 나노소재의 무전극 전자이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 정공이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 전자이동도 측정방법 및 나노소재의 무전극 정공이동도 측정방법 |
| JP2021032706A (ja) * | 2019-08-23 | 2021-03-01 | 国立大学法人 東京大学 | 電子顕微鏡 |
-
2016
- 2016-06-13 KR KR1020160073251A patent/KR20170140659A/ko active Search and Examination
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019059689A1 (ko) * | 2017-09-20 | 2019-03-28 | 포항공과대학교 산학협력단 | 나노소재의 무전극 전자이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 정공이동도 측정장치, 나노소재의 무전극 전자이동도 측정방법 및 나노소재의 무전극 정공이동도 측정방법 |
| US11243178B2 (en) | 2017-09-20 | 2022-02-08 | Postech Academy-Industry Foundation | Apparatus for electrodeless measurement of electron mobility in nano material, apparatus for electrodeless measurement of hole mobility in nano material, method for electrodeless measurement of electron mobility in nano material, and method for electrodeless measurement of hole mobility in nano material |
| JP2021032706A (ja) * | 2019-08-23 | 2021-03-01 | 国立大学法人 東京大学 | 電子顕微鏡 |
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