전사공정을 이용한 플렉시블 MOSFET의 벤딩 스트레스 영향에 관한 연구

Abstract

최근 스마트폰와 웨어러블 디바이스의 발전과 더불어 유연 전자소자(flexible electronics)에 대한 관심과 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 미래의 전자기기는 더 이상 고정된 형태의 모습을 가지지 않고 어떤 물체나 공간에 제약이 없는 형태로 발전될 것으로 예상된다. 그를 위해서 전자기기는 더욱 고성능이면서도 가볍고, 플렉시블한 방향으로 발전되어야 할 것이다. 많은 연구 그룹들에 의해서 organic 이나 2D 재료를 응용하여 유연 전자소자를 구현하는 접근을 하고 있지만 낮은 on/off ratio, mobility, 대면적 성장의 어려움, 취약한 내구성, integration process의 한계 등 해결해야 할 과제가 많은 연구 분야이다. 이러한 한계극복을 위해 최근 단결정 실리콘을 응용한 유연 전자소자에 관한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다. 단결정 물질의 경우 쉽게 깨지기 쉽지만, 그 두께가 마이크로 혹은 나노 스케일로 줄게 되면 높은 유연성 확보를 할 수 있게 된다. 따라서 전기적 특성이 좋고 기존의 반도체 생산 인프라를 그대로 활용할 수 있는 단결정 실리콘은 유연 전자소자에 적용가능 한 우수한 재료이다. 본 학위 논문은 전기적 성능이 우수한 단결정 실리콘을 응용하여 보다 간단하고 저비용 전사공정을 통해 플렉시블 FDSOI MOSFET을 구현하였다. 제작된 플렉시블 FDSOI MOSFET은 subthreshold swing of 64 mV/dec, max. transconductance of $20.6 \mu A/V$, $10^{7}$ 이상의 on-off ratio 값을 보였다. 더욱이, wafer thinning과 전사공정 단계에서 플렉시블 FDSOI MOSFET의 성능 변화는 보이지 않았다. 벤딩 스트레스에 의한 플렉시블 FDSOI MOSFET의 전기적 특성 변화 분석을 위해 (1) bending radius ($R_B$) 와 (2) bending cycle 의 두 가지 스트레스로 분류하여 측정 진행하였다. 벤딩 테스트는 bending radius ($R_B$) 가 15 mm 에서 5mm까지, bending cycle이 1회에서 1000회 까지 반원통에 플렉시블 FDSOI MOSFET을 붙였다 떼면서 측정진행 되었다. 또한, 벤딩 테스트 진행시 bending radius ($R_B$) 와 cycle 각각에 대해서 전류방향에 수평, 수직으로 나누어 진행 하였다. 결과적으로 플렉시블 FDSOI MOSFET의 전기적 특성이 tensile strain 보다는 compressive strain에서, 전류방향에 수평보다는 수직방향에서, $SiO_2$ gate dielectric보다는 $Al_2O_3$ 가 더 큰 전기적 특성 열화 현상을 보였다.