개선형과 돌파형 해법의 딜레마 ; 나노소자연구에 있어서

김연상나노융합전공 / 융합과학기술대학원

서울대학교

창발적 오류의 인식과 대응 주제 세미나 : 2016 년 4 월 1 일

Nano Matrix Lab.

Polymer Physics

Patterning-soft lithography

Layer by layer assembly

Bio sensor & chip

OTFT

LCD

Metal oxide TFT

Energy Harvester

Cu Nanowire

Organic solar cell

Li Battery

2000 2004 2009 20161997

For detail Information, please visit home-

page! http://www.snunml.com

( 이공계 학생은 대학원에서 어떻게 전문성을 길러야 할 것인가 ?)

1. 어떤 문제를 풀 것 인가 ?

2. 어떻게 접근을 해야 전문성을 강화할 수 있을까 ?

3. 창발적 연구는 어떻게 해야 하는 것일까 ?

USA Leading Univ.

• Original technology development using Fundamental Knowledge (Qualitative)

• Creative Research for Real-problem • Research toward Society and Human Needs• Convergence Research Environment

서울대학교 융합과학기술대학원 : 문제중심의 연구방법테크 센싱 및 문제 해결 알고리즘 설계를 위한 연습이 필요

예 ) 지하철 소음으로 부터 사람들을 보호하는 방법은 무엇이 있을까 ?

- 소음의 종류 : 청각장애를 유발하는 소음의 영역과 정도- 소음 피해를 받는 사람 : 기관사 , 승객 - 각각의 대상을 위한 해결방안의 고민 – 문제 도출 - 문제 인식 후 해결하기 위한 기술적 요소에 대한 고민 - 문제 해결 알고리즘 설계

서울대학교 융합과학기술대학원 : 전문성 강화 방법필요한 전문성에 대한 이해를 바탕으로 기존 전문성의 보강 및 확대

새로운 가치를 창출하는 융합적 창조란 ?

- 애플의 창업자 Steve Jobs “ 창조는 연결이다 (Creativity is just connecting things)”

문제 해결을 위한 창발적 전문성 강화 : 기존 전문성의 보강 및 확대 , 융합화… .

서울대학교 융합과학기술대학원 : 창의성 ?

- 문제해결의 방법론

1) Improvement: 문제의 개선

2) Breakthrough: 문제의 돌파

혁신은 개선이 아닌 돌파이며 , 변화에 대응 (React) 하기 보다는 스스로 변화 자체가 되어야 한다- Rice 대학 Mark J. Epstein “ 점진적 개선” vs. “ 돌파형 혁신”

대학의 연구의 목표는 ? 1) 학생들을 잘 가르쳐서 사회에 전문인으로 양성하기 위한 연구

2) 새로운 학문의 방향을 제시하는 연구

1. 점진적 개선을 위한 기존 연구의 확대 및 강화 – 전문성 강화

2. Game changer 로서의 새로운 학문의 방향을 제시하는 연습 – 창의성 강화

3. 스스로 변화의 중심에 서도록 위치 설정 노력 – 독립성 강화

서울대학교 융합과학기술대학원 : 창의성 ?

- 문제해결의 방법론

1) “ Improvement “ : 문제의 개선

2) “ Breakthrough ” : 문제의 돌파

혁신은 개선이 아닌 돌파이며 , 변화에 대응 (React) 하기 보다는 스스로 변화 자체가 되어야 한다- Rice 대학 Mark J. Epstein “ 점진적 개선” vs. “ 돌파형 혁신”

00.5

11.5

22.5

33.5

4

Gate RCDelay time

Data RCDelay time

Pixel 1H time

Pixel충전 time

Tim

e (㎲

)

80"UHD 120Hz110"UHD 120Hz

19% 24

%47%

충전 time1H

1H

Data signal delay

Gate signal delay

화면 크기 증가고해상도 ( 화소수 증가 )

구동 주파수 증가구동 신호 지연 유발화소 충전 시간 감소

■ 패널 크기 증가에 따른 신호 지연 모사 결과

: 80”UHD 110”UHD 증가로 단위 화소 충전

시간

47% 감소

① Gate RC 지연 시간 : 19% 증가

② Data RC 지연 시간 : 24% 증가

단위 화소 구동 시간 : 47% 감소

TFT 충전 시간 부족 현상 초래

충전 time

1. 고 이동도 TFT 의 필요성 : 고해상도 / 대형 디스플레이 제품의 문제점

플렉서블 스위칭 소자를 위한 용액형 산화물 TFT 소자 제작 및 성능 모니터링 기술 연구

하이브리드 스위칭소자

가열 산화물 반도체

산화물 절연체

게이트 전극

산화물 반도체

산화물 절연체

게이트 전극

화학적 반응을 위한 계면공정( 특정 전구체 사용 , 기체조건 이용 )

화학적 반응을 통하여 얻어진초고이동도 산화물 반도체 층 형성

약 150 nF/cm2 의 산화물 절연체 (Al2O3) 사용

이동도 > 200 cm2/Vs

On/off 전류비 > 106

Von = -1 V

S.S. = 0.3 V/decade

DVon< 2.5 V ( 반복 스위칭 테스트 )

2. 용액형 / 플렉서블 TFT 의 필요성

Printed electronics by roll to roll process flexible & transparent dis-play

<Source: Flexible Display Market Forecast, IHS >

기능성 유연 나노소자를 위한 소재 개발 및 계면 공정 – 스위칭 TFT

고성능 유연 Gate insulator 개발

계면공정을 이용한 플랙서블 전극용 소재 개발SourceSemiconductor

Gate Insulator

Gate electrode

Drain

저온 용액형 고성능 산화물 반도체 소재 공정 개발

하이브리드 스위칭소자

+-

+

++

+

--

-

-Cross-linked polymer chainIonic Liquids

Li-ZnO/GI TFTs- Mobility: ~ > 3 cm2/Vs- 공정온도 : 300 도 이하- R<5mm 이하 1,000 번 이상 공정에도 안정적 구동성 확보

성능향상을 위한 새로운 Dopant 개발- Li –ZnO TFTs mobility ~ 10 cm2/Vs

플렉서블 스위칭 소자를 위한 용액형 산화물 TFT 소자 제작 및 성능 모니터링 기술 연구

Gate insulator 에 따른 용액형 산화물 TFT 소자의 성능 변화를 규명하는 이론 도출

광학적 분석을 통한 용액형 산화물 반도체 필름의 성능 모니터링 기법 개발SourceSemiconductor

Gate Insulator

Gate electrode

Drain

Semiconductor 도핑에 따른 TFT 성능향상 및 안정성 변화 연구

하이브리드 스위칭소자

Negative Bias Stabil-ity 향 상 을 위 한 dopant 개발

- Li 전지에서 다른 연구자가 상대적으로 간과하는 부분은 무엇인가 ?

- 전해질 및 분리막에서 가장 중요한 요소는 – “안전성” - 안정성을 근본적으로 해결할 수 있는 방법은 무엇인가 ?

문제인식 후 해결방향 : 새로운 개념의 전해질 및 분리막 연구

3. 2 차 전지 및 에너지 저장소자의 필요성

출처 : 벤처기업 제낙스 – 플렉시블 배터리

배터리 화재문제

에너지 저장 소자 기능성 전해질 및 분리막 공정

AAO 기반의 고효율 분리막

Elec-trodes

Solid ElectrolyteSeparator + Ion transport me-

diaPoly(ethylene oxide)

under AAO nanoconfine-ment

Ion gel 을 이용한 플렉서블 고성능 고체 전해질

서울대학교 융합과학기술대학원 : 창의성 ?

- 문제해결의 방법론

1) “ Improvement “ : 문제의 개선

2) “ Breakthrough ” : 문제의 돌파

혁신은 개선이 아닌 돌파이며 , 변화에 대응 (React) 하기 보다는 스스로 변화 자체가 되어야 한다- Rice 대학 Mark J. Epstein “ 점진적 개선” vs. “ 돌파형 혁신”

Interface Engineering toward Advanced Devices (Oxide diode/ Energy harvester)

Youn Sang Kim

GSCST, SNU

Background: Revolution of Electronics

20 C : Revolution of electronics in Si electronics

P/N/P Transistor 1946 invented: 1956 Nobel PrizeWilliam Shockley, John Bardeen, Walter Brattain

P/N Tunneling & Tunneling diode1957 invented: 1973 Nobel PrizeLeo Esaki ( レオ・エサキ )

Integrated Circuit (Thin film Fabrication)1958 invented: 2001 Nobel PrizeJack St. Clair Kilby

Market Trend of Si electronics

Source: Display bank 2014

Solar Cell: OPV, DSSC, Per-ovskites SC

IOT sensor

IGZO display - OLED

Next memory: ReRAM, PRAM, MRAM

Oxide Func-tional Electronic Materials

Oxide Electronics: from materials to devices

2012 출간 Wiley

Hideo Hosono (Professor, Tokyo Institute of Technology)

1995 년 초기 결과 발표 , 2003 년 Nature 지에 비정질 산화물 박막 트랜지스터 보고현재 2020 년까지 IGZO Display 시장 예상은 20 조원에 달함1999 년 ~ 2004 년 일본창의과제인 ERATO Project 수행

1. Oxide Thin Film Transistor ( 성공 )

2. Oxide Thin Film Diode ( 해결이 필요 ) 3. Interface ( 진행 중 )

- 안정적이고 성능이 보장되는 P 형 산화물 반도체 소재 부재- 소자구동을 조절할 수 있는 Doping 농도 제어가 어려움- 계면에서의 Inter-diffusion 을 제어하기 어려움- 10 년이 넘는 기간 동안 세계적 그룹들의 연구에도 구현이 안되고 있음

Japan Science and Technology Agency: “Breakthrough Report”

Breaking new ground with revolutionary new materials

- 기존 이론으로 설명이 어려운 계면현상 보고- 계면에서의 band bending 이 불 규칙적 거동

Conventional Diode: P/N diode & Tunneling diode

Amorphous phase can’t make - recombination delicatelyⓔ ⓗ

P-type oxide semiconductor remains a major challenge due to self-compensation

EC

EV

EF

P-type N-typeBuilt-in potential

Depletion regionSemiconductor junction

Fundamental limitations for large-scale electronic devices

EC

EV

Zni VO

Oi VZn

he

ee

ee

e

eh

hh

hh

h

e

ee

eh h

h

h

h

e

Metal 1(+)

Metal 2(-)

Thin insulator

eMetal 1

(-) Metal 2(+)

Thin insulator

Tunneling

Bidirectional, symmetrical characteristic limits a stable current rectification

Ultra-thin insulator lowers a film uniformity and a productivity

V

J

PN-junction diode MIM diodeMetal-insulator-metal junction

Oxide diode: Breakthrough!

We firstly reported that the uni-directional electrical currents flow through the oxide hetero-interface between non-crystalline electron-transporting oxide (ETO) such as Al2O3, SiO2, Si3N4, Ta2O5 and HfO2, and electron-in-jecting oxide (EIO) such as ZnO. (Nature Communications, 6, 6785 (2015))

Insulator or Conduc-tor?

Unidirectional Current Flow in ETO/EIO inter-face

Charge transport mechanism

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

-80 -40 0 40 80

Voltage, V (V)

Cur

rent

den

sity

, J (A

cm-2)

Anode

200nm-SiO2

CathodeAnode

200nm-SiO2

6nm-ZnO

Cathode

Current rectificationZnO layer permits electrons to inject into the conduction band of the oxide insulator

ZnO : electron-injecting oxide (EIO)

SiO2 : electron-transporting oxide (ETO)

10-9

10-7

10-5

10-3

100

Voltage, V (V)

Cur

rent

den

sity

, J (A

cm-

2 )

101 102

10-1

387 K 342 K 292 K

1!21

3

4

01

112

21sin

l

lll

C

Vdl

lBl

lllJ

TTl 0

The electron transport is mainly based on space-charge-limited cur-rents within T-regimes of 292 K ~ 387 K

Temperature dependency

where,

Space-charge-limited currents (SCLCs)

Process conditions of the ETO or EIO modification for current level

ETO thickness control (SiO2) 31 nm 100 nm 200 nm

10-7

10-5

10-3

Cur

rent

den

sity

, J (A

cm-2) 10-1

100

Voltage, V (V) 101 102

Dielectric constant (ε) variation

Voltage, V (V) -8

Cur

rent

, I (A

)

X 10-6

-4 0 4 8

0

1

2

3

4

10nm-Al2O3

(ε=9)

10nm-HfO2

(ε=18)

Lee et. al, Nature Communications, 6, 6785 (2015)

-.The electron transport is mainly based on space-charge-limited currents within T-regimes of 292 ~ 387 K-. Electron Transport oxide (ETO) 의 물성과 두께에 따라 정류전류를 제어할 수 있음

AC DC

Vpinput is fixed to 5 V

Half-wave rectifier

- AC to DC converter is a basic and essential for IC circuit.

Vinput RL VLoad

Volta

ge (V

)

Wave Rectifying Ability

EIO : ZnO, ETO : Al2O3

Park, et. al., Applied Physics Letters, 107, 143506 (2015)

Vinput

VoutputRL=1 ㏁

f=100 ㎐

f=1 ㎑

3

0

-3

10

-1

10

-1

Time (sec)0 0.5f-1 1.0f-1 1.5f-1 2.0f-1

As the AC-signal rectifier, the oxide hetero-interface TFDs exhibit solid performances within examined range of 100 Hz < f < 1 MHz, showing typical RL-dependence Vp

Load.

P-N diode Ion Implantation

N-type P-typeN-type

P-type

Planar structure Vertical structure

Si P/N Diode 는 기본적으로 crystal silicon 을 바탕으로 하는 planar device 로서 verti-cal device 로 적용 시 공정상의 정밀한 변수제어 및 공정수율 저하의 문제가 있음 .

Conventional NAND Cell

3D NAND Cell string con-cept

- Stacking is a key strategy to overcome the limitation of cell shrink- Demand for stackable devices will be increased such as Thin Film Diode

Memory industry trends

“ 안정적인 수직형 박막 다이오드”가 필수적으로 요구됨 Si P/N Diode 는 구조상 shrink 가 어렵고 , 최근 Photo wavelength 한계로 불량률이 높음 .

Resistive Random Access Memory (ReRAM) “Oxide Memory”

TE

BE

TE

BE

OFF State ON State

High Resistive State

Low Resistive State

Selector

ReRAM

TE

BE

On State

Sneak-pass blocking (Selector): Thin Film Diode P/N crystal Si diode 는 Cell 단위 면적 증가로 양산화 불가능 , MIM diode 는 On Current 부족으로 집적화를 제한 , ReRAM 은 고성능 고집적도 가능한 Diode 소자 개발이 관건

Self Rectifying RRAMUnipolar RRAM + Unidirectional se-

lectorRRAM cell Selectivity ratio is measured by HSR (Half Select Ratio=Ion/Ioff)

Low Power Consumption with High HSR ( 소비전력 )

Huge Array Capacity with High HSR ( 집적도 ) 제한조건 : 300 도 이하 공정 , HSR 107 이상 , 고밀도전류

Electrostatic discharge circuit현재 Display Panel

현재 디스플레이 소자의 경우 ESD 보호회로를 2 개의 TFT회로를 연결한 ggNMOS 구현하고 있으나 , Vth 변화가 일어날 경우 성능을 잃어버리며 , 궁극적으로 소자를 ESD 로부터 보호할 수 없는 심각한 문제점을 내재하고 있다 . 또한 glass, plastic 과 같은 비정질 기판 사용으로 인하여 본질적으로 crystal Si P/N diode 구성이 불가능하다 .

?

ESD Failure in TFT Matrix

Data PAD

Pixels

Gate PAD Pixels

Data voltage(Drain voltage)

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10

Gate voltage

#1

#2

#3

ESD 수 ~ 수십 ㎸

ESD 수 ~ 수십 ㎸

Semiconductor breakdown

Dielectric breakdown

AMLCD Pixel Matrix (PAD/Diode/Pixel)

Data PAD

ESD Protection

Diode

Pixels

Gate PAD ESD ProtectionDiode

Pixels

Data voltage(Drain voltage)

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10

Gate voltage

#1

#2

#3

Gate metal

SD metal

Pixel metal

Semiconductor

ESD Protection Diode (Back-to-Back Diode) ① Normal Operating

Vds:0~20V ② +Large VVds:+ ~kV

③ -Large VVds:- ~kV

Pixel

ESD Protection Diode

Motivation 1. ggNMOS as ESD Circuit in TFT

Using analytic form for ID : E. Lee et al.,Adv.Funct.Mat.2014

Vsync ID

Vsync

I D(m

A )

0

0.5

1.0

1.5

(V)

0 20

40

60

VG= 50 V

VG= 40 VVG= 30 V

0.0E+002.0E-034.0E-036.0E-038.0E-031.0E-021.2E-021.4E-021.6E-021.8E-022.0E-02

0 5 10 15 20 25 30

Ids (

in T

FT)

or

I (in

ggN

MOS

)

Vds (in TFT) or V (in ggNMOS)

Output_1ggNMOS_1Output_2ggNMOS_2

[Output curve and ggNMOS curve]- with large variation of VTH

VG= 60 V

ggNMOS cur-rent

[Risk of ggNMOS] : The variation of VTH in TFT arrays (Non-uniformity and poor reliability of transistor)

TFT with (-) shifted VTH

TFT with pos-itive VTH

The characteristics of the ggNMOS circuit Not uniform[ggNMOS1)]

1) ggNMOS : gate-grounded n-type mosfet

Application : ESD Circuit The MICM device operates well as the ESD circuit

Lee et. al, Nature Communications, 6, 6785 (2015)

Research Plan & StrategyStudy on the origin of interface dipole

Interface dipoles

ZnO

Oxide insulator

Why ?How ?

New photo diode

SubstrateTCO

Insulator

TCO (with ZnO)

Transparent diode

Dark

Photo (UV)

Selector diode for ReRAM

SelectorReRAM

TE

BEApplied physics letters 100, 153503 (2012)

Interface engineering

Multifunctional oxide diodes

ElectrodeInsulator

ZnOInsulator

ZnO…

ZnO

Sequential diode Schottky+Oxide diode

“Originality” is the starting point of research

Prof. Hideo Hosono

현재 막대한 가치를 창출하는 산화물 박막 트랜지스터 개발의 경우 , “1995 년” 처음 도쿄공업대학 호소노 (Hideo Hosono) 교수에 의해 이 개념이 발표되었을 때 , 아무도 주목하지 않았으며 산화물 반도체 박막 트랜지스터 가능성에 대한 첫 발표논문은 그 후 8 년간 단 4 번만 (Self citation 2 번 포함 ) 언급되는 등 사람들의 주목을 받지 못하였다 . 그러나 1999 년부터 2004 년까지 일본 연구재단의 ERATO-project 의 지원으로 “ 2003 년” 최초의 비정질 Si 반도체의 성능을 넘는 In-Ga-ZnO 박막 트랜지스터를 보고한 후 (crystal IGZO-TFT re-ported in the Science in 2003), 현재의 막대한 부가가치를 창출하게 되었다 . 현재 2020 년 산화물 박막 트랜지스터를 사용하는 Display 시장은 20 조로 예상되고 있다 . 또한 , 다국적 디스플레이 회사에 로열티로 500 억 이상을 기탁받았으며 , 그 액수는 계속 증가하고 있다 .

It is often said that apply materials research in a practical way takes at least 10 years. The phrase "10 years" may roll off the tongue easily enough, but researching the same material for 10 year requires stubborn persistence. Up to this point in time, Professor Hosono has been maintaining ongoing research into glass, iron, con-crete and all manner of mundane materials, having achieved significant results in each.

Japan Science and Technology Agency 발췌

Hideo Hosono

“Strong Noble Prize Candidate”Professors Hideo Hosono and Yoshinori Ohsumi chosen by Thomson Reuters Citation Laureates (2013)

“Who are Asia's future Nobel laureates?” NIKKEI ASIA REVIEW (2014)

“Besides Higgs, Who Might Get the Physics Nobel?” by Scientific American Oct. 7, 2013The 28 Scientists Most Likely to Win the Nobel Prize: Inside the Secret Predictive Formula : Physics (Prof. Hideo Hosono) – WIRED 2013

The essence of research is to pursue something that no-one else is do-ing. After long and lonely years, the research commenced by Professor Hosono is finally coming to significant fruition. While breaking new ground may require rev-olutionary new materials, certainly, strong will is also required to overcome isolation and thrive.

Japan Science and Technology Agency 발췌

1. “Insulator” or “Unidirectional Conductor"?

2. Interface between oxide functional materials

3. Architecture and Device engineering with Oxide hetero-interface phenomena

- “ 모방에서 창조로” - 자연현상 원리규명 또는 신창조를 통하여 ․

신규 연구영역의 개척 또는 획기적인 응용가능성 제기 연구 - 새로운 과학기술 탐색 , 발아 분야 - 기존 기술발전 경로상의 한계를 돌파 (breakthrough) 할 수 있는 아이디어 연구

Oxide Hetero-interface Diode

x 학술적으로 중요한 문제를 해결하면서도 산업적인 응용성을 확보

Fundamental study for the working origin of oxide diode

Fundamental research

Founding oxide electronics

Developing practical process to apply to oxide electronics

Architecture & Device Engineering

Founding design rules for various circuits using oxide diode

University laboratories

National research institutions

External researchers

Electronics

Flat-panel display

Memory device

Customer company

Our Researchers

( Key: Convergence )

▫ Material Science : 2 ▫ Physics : 2 ▫ Electrical Engineer-ing : 1 ▫ Chemistry : 1▫ Chemical Engineering : 1

▫ 대학 연구원 : 4 ▫ 산업계 파견 연구원 : 2▫ 국책연구소 파견 연구원 : 1

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