오후에는 소자분석을 했다.(이때부터 급속히 지치기 시작...)
소자분석은 Hall effect mearsurement, I-V, C-V 특성을 순차적으로 측정했다.
전자소자는 I-V특성만 측정하지만,
광전소자는 I-V특성 뿐 아니라 빛<->전류의 관계를 측정한다.
세가지를 측정할 것이다.
1. 공정 전 wafer의 정보 측정(Hall effect measurement)
2. 제작된 소자 측정
- 전자소자
- 광전소자(LED) : 전류->빛 측정 ex)PD(Photo diode, solar cell)
Hall effect measurement
Hall effect measurement은 4 point probe 장치와 원리가 비슷하다.
V, I를 통해 저항값 R을 구할 수 있다. R을 최소화 하기 위해 전자는 직선운동을 한다.
자기장 B를 통해 lorentz force가 가해지면서 전자를 간접적으로 control할 수 있다.
저항 R을 조절할 수 있는 변수는 다음과 같다.
1. 도핑농도
2. mobility
3. n/p type
이 측정 방식의 원리는 다음과 같다.
1. 전압을 걸어 전류가 흐르게 한다.
2. 1번 상황에서 자기장을 건다.
3. 전위차와 전류값에 의해 wafer에 대한 저항 정보를 알아낸다.
3번 과정에서 저항은 불순물, 격자 내 원자들에 영향을 받는다.
특히, 세로로 측정할 때와 가로로 측정할 때 저항값이 다른데, 그 이유는 결정면이 달라서이다.
이걸 박사님꼐서 질문하셨는데 내가 맞췄다 ㅎ 근데 역대 실습생중에 단 두명만 이걸 맞췄다고한다...
아무튼 결정면이 다른 점때문에 면저항을 4 point probe로 구해야한다.
우리가 측정할 wafer들이다. 은색은 Si, 투명한 색은 GaN이다.
네 꼭지점에 있는 점들은 전극으로, 전압을 걸기 위함이다.
이제 시편을 측정하기 위해 전극을 측정 탐침에 고정시켜준다.
저렇게 트위저로 전극끼리 연결시켜주면 된다.
각 점이 A,B, C, D인데, 6개의 전류통로가 2개의 방향으로 흐를 수 있으므로 총 12가지의 전류가 흐를 수 있다.
또한, 전류는 전류밀도로 계산한다.
이걸 구멍에 맞춰서 넣고 측정장치에 넣어준다. 방향이 상당히 중요하다.
이제 I-V curve를 측정해주면 된다.
자석을 N->S, S->N 방향으로 한번씩 넣으라고 한다. 이때 측정되는 전압, 전류값들은 앞에 M-이 붙는다.
자기장 인가 후 측정한 값 모습
여기까지가 hall effect measurement 이다.
다음으로 광전소자에 전류를 흘려줬을 때 빛의 세기(Intensity)를 probe station에서 측정해 보았다.
아래 사진은 전류를 흘려주지 않았을 때이다.
조명을 쏴서 탐침을 cell에 조준한다.
probe station은 암실처럼 되어있고, 흘러나오는 빛의 세기를 측정해주기 위해서는 외부 빛을 차단해주어야 한다.
아래 사진처럼 전류를 인가해준다.
50mA가 넘어서면 소자가 타기 시작하여 제 성능을 내지 못하고 죽어버린다.
전류를 인가해주니 푸른 빛을 발광하는 LED 소자의 모습이다.
왼쪽에 빨간 표시가 되어있는 것이 빛의 세기를 측정하는 장치이다.
아래 사진을 보다싶이, Intensity-wavelength 그래프로 나타난다.
전류에 의해 전자가 generation되었다가, recombination되는 과정에서 빛을 방출한다.
이런 식으로 시편에 따른 빛의 세기를 비교하여 빛의 세기가 셀수록 좋은 소자이다.
파장은 곧 전기에너지를 빛에너지로 전환시킬 수 있는 효율을 의미한다. 따라서 파장이 낮을수록 좋다.
전류의 세기를 15/25/35/45mA로 설정하여 관찰해봤다.
45mA일 때 소자가 타기 시작하여 빛의 세기가 되려 감소했다.
4 point probe : I-V curve, C-V curve
외국인 박사님과 전자소자의 I-V 특성과 C-V 특성을 측정해보았다.
아래가 측정장비이다.
이론 설명을 장황하게 해주셨는데...대부분 알던 내용이라 실습 관련 설명만 적겠다.
아래 사진이 측정하는 종류에 따라 probe station에 다르게 연결하는 모습이다.
Semiconductor parameter analyzer는 4개의 SMU(Source Measure Unit) 사용하여(A, B, C, D) I-V 특성을 측정할 수 있다.
LCR meter는 2개의 SMU를 사용하여(E, F) C-V 특성을 측정할 수 있다.
탐침은 진공으로 고정이 되는 형식이다.
sample chuck에 contact probe을 위치시킨다. 왼쪽이 schottky, 오른쪽이 ohmic.
schottky-ohmic은 2 contact이지만, MOSFET은 3 contact이다.
우리가 측정할 sample은 N type doped Ge로, schottky 소자이다.
Probe connection check
측정 전 probe가 정상적으로 작동하는지 확인하기 위해 probe끼리 쇼트시켜보는 과정이다.
*metal이라도 resistance를 측정한다.
먼저 주파수에 따른 C-V graph를 측정해보겠다.
주파수에 따라 두개의 그래프가 겹쳐 나오는 것을 알 수 있다.
밑에 있는 그래프가 높은 주파수의 그래프이다.
다음은 전압을 인가해 drain current를 측정할 것이다.
가장 먼저 해야할 것은 SMU를 바꿔 연결 시켜주는 것! A, B번을 5, 6번에 연결시켜 주었다.
I-V curve에서 1, 3 quadrant에 있는 그래프는 같은 polarity로, schottky와 ohmic에 해당하며
2, 4 quadrant에 있는 그래프는 반대의 polarity로 전류를 인가하지 않아도 에너지를 생성하는 solar cell같은 소자이다.
start-stop, step, compliance(한계값)을 설정하여 나타낸 모습이다.
아래 그래프는 ohmic contact(탐침끼리 접합하여 쇼트 발생)의 I-V curve 이다.
이제 schottky 소자의 특성을 측정해보자.
탐침을 미세한 칩 하나에 고정해보았다. 위치하는 건 어렵지 않은데, 아래로 내려서 고정할 때 생각보다 많이 내려야 하고 너무 많이 내리면 칩에 밀려서 스크레치가 날 위험이 있었다.
먼저 박사님이 시연해주셨다. 이 장비는 Breakdown을 보기에는 100V의 한계가 있어 보기 힘들다고 하셨다.
그리고 양군, 나, 은우씨 순서로 진행했다. 마찬가지로 값을 바꿔주면 된다.
양군은 50mA에 한계를 두어 그래프가 중간에 꺾이는 걸 볼 수 있다.
나는 80mA로 한계치를 두었다.
은우씨는 Breakdown voltage를 보려고 했으나 실패..
이제 C-V 특성을 다시 보려고 SMU를 바꿔 연결시키는 모습이다.
주파수를 4가지로 설정하여 특성을 측정하였다.
아까와 마찬가지로 가장 높은 주파수가 가장 아래쪽의 매끄러운 그래프에 해당한다.
나는 주파수를 두개로 설정하여 확인했다.(빨리 끝내려고 step voltage 크게 했었던 것 같은데...)
드디어 4일차 끝...
너무 피곤해서 저녁에 피자 시켰는데, 6시 반쯤 시켜놓고 잠들어서 눈떠보니 8시 ㅋㅋㅋㅋ
이미 7시에 도착해서 식어버린 피자를 마이네임 보면서 질겅질겅 먹었다...
