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결과 및 고찰 

그림2 는 a-ITZO 와 Al2O3 로 구성된 MSIM 다이오드의 -13 V 부터 5 V 사이의 구간을 sweep 한 전류 밀도 – 전압 특성이다. 이 그림에서 검은 곡선과 빨간 곡선은 각각 어두운 상태와 밝은 상태의 전기적 특성을 보여주고 있다. 어두운 상태의 전기적 특성을 로그 모드에서 곡선으로 그려본 결과, on 전류 밀도는 10 A/cm2 정도였고 off 전류 밀도는 장비의 검출 한계에 있는 10-9 ~ 10-10 A/cm2 이하로서 1010 ~ 1011 이상의 on/off 전류 밀도율을 보인다. 이는 기존에 보고된 일반적인 산화물 반도체 기반 다이오드의 on/off 전류 밀도율인 5차 정도보다 훨씬 우수한 스위칭 특성을 보이고 있다.

이러한 어두운 상태의 전류 밀도 특성을 갖는 MSIM 다이오드에서, 가시광 센싱 특성을 확인하기 위해 다이오드에 최대 0.64 mW/cm2 세기를 갖는 가시광 영역의 백색 LED 램프를 광원 장치의 최대 파워인 3000 lux 로 조사하였다. 이때 예비실험을 통해 전류 밀도가 포화 상태가 되기에 충분한 시간인 1 분 동안 조사하였다. 그 결과, 그림 2 의 빨간 곡선에서 보는 것처럼 밝은 상태의 밀도 – 전압 특성 변화에서 가시광 조사 시 광전류가 생성되어 꺼짐 상태 전류 밀도가 3차 정도 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이는 a-ITZO/Al2O3 구조의 산화물 다이오드가 가시광 영역대에서 광 센서로 응용이 가능함을 시사한다. 흔히 광 센서로 사용되고 있는 산화물 반도체 기반의 광 트랜지스터의 경우 활성층으로 사용되는 산화물 반도체는 안정적인 채널 형성을 위해 너비와 길이가 일정한 크기 이상이 되어야 하고, 소스와 채널 간 터널링의 방지를 위해 게이트 절연체로 사용되는 절연체는 100 nm 이상으로 두꺼워야 하기 때문에 이를 시스템에 적용 시 소자의 소형화 한계로 인해 높은 밀도의 집적이 어렵다는 단점이 있다. 반면에, MSIM 다이오드 구조는 전극의 면적과 절연체의 두께에 대한 제약이 적어서 시스템에 적용할 경우, 트랜지스터보다 고밀도의 집적이 가능하여 소형화에 유리할 뿐만 아니라 R/C delay 를 줄여주어 성능도 향상 시킬 수 있기 때문에 세 개의 터미널을 가진 산화물 기반 광 트랜지스터를 대체할 수 있는 장점이 있다.

RESULTS AND DISCUSSION

Figure 2 shows the current density – voltage (J-V) characteristics observed while sweeping the MSIM diode comprised of a-ITZO and Al2O3 between -13V and 5V. The black and red curves represent the electrical characteristics of the dark and bright states, respectively. The results of plotting the black curve logarithmically showed that the on current density was around 10 A/cm2, while the off current density was around 10-9 to 10-10 A/cm2, which was the range of the detection limit. Thus, the on/off current density ratio was determined to be about 1010 to 1011. This indicates a considerably better switching characteristic than a general oxide semiconductor P-N junction diode, the on/off current density ratio of which is in five orders of magnitude.

In order to check the visible light sensing characteristics of the MSIM diode, which has the aforementioned current density characteristics in the dark state, the diode was illuminated with a white LED lamp, the maximum intensity of which was 0.64 mW/cm2, at the highest power of 3,000 lux. A preliminary experiment was carried out to irradiate the diode for 1 minute, which would be a sufficient period of time to achieve saturation at the current density. As a result, a photocurrent was generated under visible light irradiation, as shown in the changes in the J-V characteristics of the bright state represented by the red curve in Figure 2, and this indicated an increase in the off-state current density by 3 orders of magnitude. The implication of this result is the possibility of applying an a-ITZO/Al2O3 diode as a photo-sensor in the visible light spectrum. In the case of oxide semiconductor photo-transistors commonly used as photo-sensors, the width and length of the oxide semiconductor used as the active layer must be of at least a certain size to form a stable channel, and the insulator used as a gate insulator to prevent source-gate tunneling must be at least 100nm thick. This leads to limitations in miniaturization for system application and renders it difficult to achieve high-density integration. In contrast, the MSIM diode has few constraints in relation to the electrode size and insulator thickness. Accordingly, in case of system application, it can be integrated with a higher density than a transistor, thereby facilitating miniaturization, and the R/C delay can also be reduced for improved performance. As such, the MSIM diode presents advantages in that it can be used in place of an oxide-based photo-transistor with three terminals.