[연구자명]

이병훈(지도교수), 전재현, 김병관, 강민서, 신의관, 김민재, 김기영, 이해원. 이용수

[연구제목]

Multi-Functional ZnO–Te Heterojunction Devices Enabling Compact Frequency Quadrupler

[연구내용 요약]

본 연구는 초박막 n형 ZnO와 p형 Te를 저온 공정으로 집적한 이종접합 소자를 개발하고, 이를 이용해 하나의 소자에서 여러 기능을 수행할 수 있는 새로운 회로 동작을 구현한 결과를 다루고 있다. 웨이퍼 스케일 공정과 200°C 이하의 저온 공정을 통해 ZnO–Te 이종접합 소자를 제작하였으며, 이를 통해 기존 실리콘 기반 회로가 가지는 집적도와 회로 복잡도의 한계를 줄일 수 있는 가능성을 제시하였다. 특히 이러한 공정은 기존 CMOS 후공정 (BEOL)과의 호환성 측면에서도 장점을 가진다.

핵심적으로는 n형 영역과 p형 영역이 겹치는 길이를 조절함으로써, 소자의 전하 수송 특성이 단일 negative differential transconductance (NDT)에서 이중 피크를 갖는 double NDT (D-NDT)로 전환될 수 있음을 입증하였다. 이러한 독특한 M자 형태의 이중 피크 전류 특성을 활용하면, 단일 소자만으로도 입력 주파수를 4배로 증폭시키는 주파수 체배기 (Frequency Quadrupler)를 구현하였다. 

[성과와 관련된 이미지 및 설명]

아래 그림들은 ZnO–Te 이종접합 소자에서 n형 ZnO와 p형 Te의 겹침 구조가 전하 수송 경로를 어떻게 바꾸고, 그 결과 소자의 전달 특성이 어떻게 달라지는지를 함께 보여준다.

먼저, n-p 직렬형 구조와 병렬형 구조를 비교하여, 직렬형에서는 계면을 따라 흐르는 lateral transport가 지배적이어서 단일 NDT 피크가 나타나고, 병렬형에서는 겹침 영역에 의한 vertical transport를 통해 ambipolar 특성이 형성됨을 설명한다. 

이러한 개념을 바탕으로 ZnO와 Te의  겹침 길이를 점차 증가시킬 때 lateral current와 vertical current의 중첩이 달라지며, 그 결과 전달 곡선이 단일 피크에서 두 개의 피크를 갖는 double NDT 특성

으로 전환됨을 보여준다.  즉, 두 그림은 소자 구조와 기하학적 설계만으로 전하 수송 메커니즘과 다기능 전기적 특성을 정밀하게 제어할 수 있음을 단계적으로 제시한다.

[연구결과의 진행 상태 및 향후 계획]

본 연구에서는 저온 웨이퍼 스케일 공정을 기반으로 ZnO–Te 이종접합 소자를 성공적으로 제작하였고, 기하학적 구조 조절을 통해 단일 NDT와 D-NDT 특성을 모두 구현하는 데 성공하였다. 이를 통해 단일 단 (single-stage) 주파수 체배기 회로의 면적과 복잡성을 획기적으로 줄일 수 있음을 입증하였다. 향후에는 고속 동작을 안정적으로 구현하기 위한 소자 최적화 연구를 진행할 계획이다. 이를 위해 채널 길이를 마이크로미터 이하 단위로 줄이는 short channel 소자로의 물리적 스케일링을 진행하여 기생 정전용량 및 저항을 최소화하고자 한다. 궁극적으로 이러한 연구를 통해 하드웨어의 복잡성을 극복하고 면적 효율성이 극대화된 다기능 집적 회로 상용화에 기여하고자 한다.