[학위논문]엔지니어드 high-k 게이트 절연막과 마이크로웨이브를 이용한 고성능ㆍ 고신뢰성 a-IGZO 듀얼게이트 센서 개발 Highly sensitive and stable a-IGZO dual-gate sensor using microwave and engineered high-k gate oxide원문보기
본 연구에서, 우리는 높은 성능을 지닌 분리된extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (SEGISFET)를 제작하였다. 이 소자는 tin dioxide (SnO2)로 이루어진 SEG 센싱 부분과 비정질 indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO)에 tantalum pentoxide/silicon dioxide (Ta2O5/SiO2)가 engineered된 상부 게이트 절연막을 가지는 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터 (TFT)로 이루어져 있다. 먼저, 간단한 구조인 ...
본 연구에서, 우리는 높은 성능을 지닌 분리된extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (SEGISFET)를 제작하였다. 이 소자는 tin dioxide (SnO2)로 이루어진 SEG 센싱 부분과 비정질 indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO)에 tantalum pentoxide/silicon dioxide (Ta2O5/SiO2)가 engineered된 상부 게이트 절연막을 가지는 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터 (TFT)로 이루어져 있다. 먼저, 간단한 구조인 MOS캐패시터를 이용하여 engineered막의 최적화를 진행하였으며, 25-nm 두께의 Ta2O5와 10-nm 두께의 SiO2가 낮은 equivalent oxide thickness (EOT, ~17.14 nm), 낮은 누설 전류, 그리고 안정적인 계면 특성을 동시에 가지는 것을 확인하였다. 최적화된 engineered 막의 조건을 상부 게이트 절연막에 적용하여 이중 게이트 구조의 TFT를 제작하였다. 또한, a-IGZO를 이용한 TFT의 근본적인 문제인 문턱전압의 안정성은 post-deposition annealing (PDA)로서 저온의 microwaveirradiation (~87 ℃)을 통해 향상되었다. Engineered 상부 게이트 절연막을 가진 이중 게이트 구조의 a-IGZO TFT는 높은 이동도, 낮은 subthreshold swing, 높은 구동 전류, 그리고 높은 on/off 전류 비를 보였다. 이중 게이트 모드 (DG 모드)로 a-IGZO SEGISFET의 pH 감지도를 측정하였을 때, Nernst limit을 훨씬 뛰어 넘는 649.04 mV/pH의 pH sensitivity를 보였다. 이는 capacitive coupling 현상에 의해 감지도가 증폭되어 나타난 결과이다. 또한, capacitive coupling의 수식을 이용하여 증폭된 감지도의 이론적인 값과 실험적인 값을 비교하였다. 또한, hysteresis와 drift 현상과 같은 non-ideal들도 이중 게이트 구조의 이점으로 인하여 DG 모드 에서 향상됨을 확인하였다. 이러한 결과는 engineered 상부 게이트 절연막을 가진 이중 게이트 구조의 a-IGZO TFT가 매우 값싸고 대체가능한 SEGISFET sensor의 후보자임을 보여준다.
본 연구에서, 우리는 높은 성능을 지닌 분리된extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (SEGISFET)를 제작하였다. 이 소자는 tin dioxide (SnO2)로 이루어진 SEG 센싱 부분과 비정질 indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO)에 tantalum pentoxide/silicon dioxide (Ta2O5/SiO2)가 engineered된 상부 게이트 절연막을 가지는 이중 게이트 구조의 박막 트랜지스터 (TFT)로 이루어져 있다. 먼저, 간단한 구조인 MOS 캐패시터를 이용하여 engineered막의 최적화를 진행하였으며, 25-nm 두께의 Ta2O5와 10-nm 두께의 SiO2가 낮은 equivalent oxide thickness (EOT, ~17.14 nm), 낮은 누설 전류, 그리고 안정적인 계면 특성을 동시에 가지는 것을 확인하였다. 최적화된 engineered 막의 조건을 상부 게이트 절연막에 적용하여 이중 게이트 구조의 TFT를 제작하였다. 또한, a-IGZO를 이용한 TFT의 근본적인 문제인 문턱전압의 안정성은 post-deposition annealing (PDA)로서 저온의 microwave irradiation (~87 ℃)을 통해 향상되었다. Engineered 상부 게이트 절연막을 가진 이중 게이트 구조의 a-IGZO TFT는 높은 이동도, 낮은 subthreshold swing, 높은 구동 전류, 그리고 높은 on/off 전류 비를 보였다. 이중 게이트 모드 (DG 모드)로 a-IGZO SEGISFET의 pH 감지도를 측정하였을 때, Nernst limit을 훨씬 뛰어 넘는 649.04 mV/pH의 pH sensitivity를 보였다. 이는 capacitive coupling 현상에 의해 감지도가 증폭되어 나타난 결과이다. 또한, capacitive coupling의 수식을 이용하여 증폭된 감지도의 이론적인 값과 실험적인 값을 비교하였다. 또한, hysteresis와 drift 현상과 같은 non-ideal들도 이중 게이트 구조의 이점으로 인하여 DG 모드 에서 향상됨을 확인하였다. 이러한 결과는 engineered 상부 게이트 절연막을 가진 이중 게이트 구조의 a-IGZO TFT가 매우 값싸고 대체가능한 SEGISFET sensor의 후보자임을 보여준다.
In this work, we propose a high-performance separative extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (SEGISFET) that consists of a tin dioxide (SnO2) SEG sensing part and a double-gate structure amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) thin-film transistor (TFT) with tantalum pentoxide/sil...
In this work, we propose a high-performance separative extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (SEGISFET) that consists of a tin dioxide (SnO2) SEG sensing part and a double-gate structure amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) thin-film transistor (TFT) with tantalum pentoxide/silicon dioxide (Ta2O5/SiO2)-engineered top-gate oxide. First, we conducted optimizing of engineered layer through the simple MOS capacitor. And engineered top-gate oxide, a stack of 25-nm-thick Ta2O5 and 10-nm-thick SiO2 layers was found to simultaneously satisfy a small equivalent oxide thickness (~17.14 nm), a low leakage current, and a stable interfacial property. The condition of optimized engineered gate oxide layer was applied as a top-gate oxide, and we fabricated double-gate structure TFTs. Also, threshold-voltage instability problem, which is a fundamental issue of a-IGZO TFTs, was improved by low-temperature post-deposition annealing using microwave irradiation (~87 ℃). The double-gate structure a-IGZO TFTs with engineered top-gate oxide exhibited high mobility, small subthreshold swing, high drive current, and larger on/off current ratio. The a-IGZO SEGISFETs with a dual-gate sensing mode showed a pH sensitivity of 649.04 mV/pH, which is far beyond the Nernst limit. This amplified sensitivity results are because of the capacitive coupling effect. And we compared between theoretical and experimental value of amplified sensitivity using capacitive coupling equation. Accordingly, the non-ideal behavior of ISFETs, hysteresis and drift effect also improved. These results show that the double-gate structure a-IGZO TFTs with engineered top-gate oxide can be a good candidate for cheap and disposable SEGISFET sensors.
In this work, we propose a high-performance separative extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (SEGISFET) that consists of a tin dioxide (SnO2) SEG sensing part and a double-gate structure amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) thin-film transistor (TFT) with tantalum pentoxide/silicon dioxide (Ta2O5/SiO2)-engineered top-gate oxide. First, we conducted optimizing of engineered layer through the simple MOS capacitor. And engineered top-gate oxide, a stack of 25-nm-thick Ta2O5 and 10-nm-thick SiO2 layers was found to simultaneously satisfy a small equivalent oxide thickness (~17.14 nm), a low leakage current, and a stable interfacial property. The condition of optimized engineered gate oxide layer was applied as a top-gate oxide, and we fabricated double-gate structure TFTs. Also, threshold-voltage instability problem, which is a fundamental issue of a-IGZO TFTs, was improved by low-temperature post-deposition annealing using microwave irradiation (~87 ℃). The double-gate structure a-IGZO TFTs with engineered top-gate oxide exhibited high mobility, small subthreshold swing, high drive current, and larger on/off current ratio. The a-IGZO SEGISFETs with a dual-gate sensing mode showed a pH sensitivity of 649.04 mV/pH, which is far beyond the Nernst limit. This amplified sensitivity results are because of the capacitive coupling effect. And we compared between theoretical and experimental value of amplified sensitivity using capacitive coupling equation. Accordingly, the non-ideal behavior of ISFETs, hysteresis and drift effect also improved. These results show that the double-gate structure a-IGZO TFTs with engineered top-gate oxide can be a good candidate for cheap and disposable SEGISFET sensors.
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