Recently, the flexible electronics have become an exciting research area drawing active participation of scientists and engineers from both academia and industry due to the following advantages: large area production, low production cost, and various functionalities. In order to demonstrate the flexible electronics, it is necessary to build an integrated circuit on the flexible substrate and a thin-film transistor (TFT) is the most promising candidate as a switch used for flexible integrated circuit due to the low fabrication temperature process and large area production capabilities. Among other types of TFTs, an oxide TFT is the one that gets the most spotlighted since it has high performance in compare to the others. As you may already have known, the research has been well developed and progressed with n-type oxide TFT; however, despite the fact that n-type oxide TFT shows such excellent device characteristics, the p-type oxide TFT is still remained as a problematic issue- the device has high leakage current, low on/off ratio, and requires high fabrication temperature. Thus, the flexible integrated circuit using p-type and n-type oxide TFTs is currently facing a limitation.
In this thesis, we suggested the novel concept to demonstrate the hybrid complementary logic inverter with MEMS switch and n-type oxide TFT. Here, MEMS switch and n-type oxide TFT are integrated together on the same substrate (monolithically integrated) to work as a logic inverter.
After the demonstration, the characterizations of n-type oxide TFT and MEMS switch were performed to confirm that two devices were working properly without any problems. Through the measurements, we concluded that our MEMS switch had better switching characteristics in comparison with the current p-type oxide TFT in terms of leakage current and on/off switching ratio. Then finally, we investigated the characteristics of proposed hybrid complementary logic inverter. Our new concept of hybrid complementary logic inverter in combination of MEMS switch and n-type oxide TFT showed very interesting device characteristics and we noticed that there was a trade-off between dynamic power consumption, gain and noise margin depending on how we controlled the turn on voltage of the devices.
현재 도핑을 사용하여 실리콘과 같은 딱딱한 기판에서의 Integrated Circuit (IC) 구현은 아주 잘 이루어져있고 이미 제품 상용화도 되어있다. 하지만 점점 시간이 지남에 따라 대면적, 저가, 그리고 기능적인 측면에서 이런 IC 를 딱딱한 기판이 아닌, 구부리거나 접거나 휠 수 있는 플렉서블한 기판에서 구현하고자 하는 연구와 노력이 많이 진행 되어 왔다. 그런 어플리케이션의 예로는 보다 값싸게 대량으로 만들어 cost-effectiveness 를 높이고자 하는 RFID tag, 물체의 손 쉽게 붙임으로 물체의 변형을 감지할 수 있는 스마트용 센서, 그리고 휘거나 트위스트 되는 형태의 플렉서블 핸드폰이 있다. 이러한 어플리케이션들을 가능하게 하기 위해서는 플렉서블 기판 위에서의 IC 구현이 우선이 되어야 하고 현재 플렉서블 기판으로는 PET 나 플라스틱 같은 물질이 사용됨으로 무엇보다 저온 공정 (< 250℃) 이 요구된다. 그리고 이러한 요구조건을 만족 시켜 주기 위해서 Oxide Thin Film Transistor (Oxide TFT) 가 현재 플렉서블 IC 에 들어가는 전자 스위치로써 많은 주목을 받고 있다. 현재 n-type 물질을 사용한 oxide TFT 는 연구가 많이 진행 되어 있고 전자 스위치로써 이미 좋은 성능을 보이는 소자가 많이 제안된 바 있다. 하지만 IC 의 구현을 위해서는 n-type 뿐만 아니라 p-type 물질을 사용한 전자 스위치도 꼭 필요하다는 요구 조건이 있다. 하지만 불행하게도 현재 p-type 물질로 대표적인 CuO 나 SnO 같은 물질을 사용한 oxide TFT 는 전자 스위치로 쓰기에는 너무 높은 누설전류, 그리고 낮은 스위칭 on/off 비율을 가지고 있고 또한 더 나아가, 이러한 p-type oxide TFT 를 n-type oxide TFT 와 결합하여 IC 기본적인 예인complementary logic inverter 를 구현한 사례에서도 성능에 매우 떨어짐으로 현재 IC 를 구현하는 것은 한계가 있다.
본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 누설전류가 거의 없고 아주 높은 스위칭 on/off 비율을 갖는 micro electro-mechanical system (MEMS) 스위치를 p-type oxide TFT 를 대체하는 하나의 해결책으로 제안하고, 최초로 MEMS 스위치와 n-type oxide TFT 를 한 기판에서 monolithic 하게 결합하여 IC 구현의 기본이 되는 이때까지 제안된바 없는 새로운 컨셉의 hybrid complementary logic inverter 로의 특성을 확인하였다.
따라서 logic inverter 로써 동작하기 위한 요구조건을 만족 시키는 MEMS 스위치와 n-type oxide TFT 가 디자인 되었고 서로 monolithic 하게 결합되어 공정이 완료 된 후, 각각 개별의 소자들의 특성을 확인하여 우수한 성능으로 동작하는 것을 확인하였고 실제로 logic inverter 로써 동작하였을 경우, 기존의 p-type 과 n-type oxide TFT 를 사용한 complementary logic inverter 보다 본 연구에서 MEMS 스위치를 도입하여 새롭게 제안한 컨셉의 logic inverter 에서는 MEMS 스위치의 장점으로 갖는 아주 낮은 누설전류와 높은 스위칭 on/off 비율로 제안된 device 가 기존의 TFT 를 사용한 complementary logic inverter 와 비교하여 아주 낮은 전력소모를 가질 수 있는 사실을 VTC curve 측정을 통하여 확인하고 더 나아가서 소자의 동작전압에 따라 logic inverter 의 특성인 gain 과 noise margin 에 대한 변화를 알아보았다.
