부산대학교 도서관

Generally, the conventional semiconductors are broadly divided into inorganic- and organic-semiconductor in terms of used material basis. Today's industry in inorganic-semiconductor based on silicon material encounters serious limitations as the trend of rapid miniaturization in electronic devices. Accordingly, recent research on the novel semiconductor device based on inorganic materials, which exceeds the typical silicon-based device performance, has been progressed. In particular, because two-dimensional (2D) material-based semiconductor shows intrinsic thin body nature and great physical properties, the 2D semiconductor is considered a promising candidate for a next-generation semiconductor device. In the case of organic semiconductors, light-emitting devices based on organic semiconductors have been extensively developed since the first observation of light-emitting characteristics, which have not been reported in conventional silicon-based devices. One of the representative organic semiconductor devices is an organic light-emitting diode (OLED). The study on the further advanced OLED, realizing long lifetime and low power consumption, is steadily performed with a gradually extended display industry. To this end, to clearly demonstrate the origin of electrical degradation of an OLED is essential. In this dissertation, the electrical degradation mechanism of the blue OLED is systemically analyzed, and we report the negative differential resistance phenomenon revealing a quantum mechanical tunneling transport in a multilayer black phosphorus (BP) based field-effect transistor. In chapter 1, based on the impedance spectroscopy (IS) approach, the origin of electrical performance degradation in the blue OLED is clearly demonstrated. A degradation mechanism of our OLED possessing a multi-stacked device structure, which significantly hampers the accurate assessment of the degradation for each layer, is evaluated separately into light emission layer (EML) and carrier transport layer (TPL), using the IS method. For electrical degradation study on the OLEDs, we report the origin of the relaxation frequency (fR) shift in blue OLEDs after electrical stress time for up to 1,000 h with a constant current stress condition of 1 mA. On the basis of the definition of fR and experimental results revealing high similarity between measured total impedance and the equivalent circuit model, we discover that the variation in fR with increasing stress time at charge balancing voltage stems from the substantial degradation of the TLP layer rather than that of the EML. As a result, a strong correlation between the TPL interface and fR indicates fR can be a powerful degradation indicator for the TPL interface in the OLEDs. In chapter 2, an ambipolar multilayered BP transistor with a precursor toward negative differential resistance (NDR) at room temperature is reported through the temperature-dependent transfer length method and four-probe analysis. The trend toward the NDR observed as abrupt suppression of the off-current at charge neutrality regime arises from the intrinsic BP channel property rather than from the metal-to-BP contact. Based on the band-to-band tunneling mechanism, we attribute the tendency toward NDR to the drain bias-induced inhomogeneous charge puddles within the BP layers, which generate a lateral n/i/p-type doping profile and consequently give rise to an effective tunneling window. Our observation is further rationalized by a reconfigurable BP tunneling device allowing gate-tunable lateral inhomogeneous doping along the channel.
현재 반도체는 적용되는 재료 특성에 따라 크게 무기 반도체와 유기 반도체로 구분 지을 수 있다. 최근 전자 소자의 급격한 소형화에 따라 실리콘 중심의 무기 반도체 개발이 기술적 한계를 마주하며 기존 실리콘 반도체 성능을 능가할 수 있는 새로운 무기 재료 기반의 반도체 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 실리콘 소자를 대체할 차세대 반도체 소자로서 높은 물리적 특성과 고유한 얇은 두께를 자랑하는 이차원 소재 기반 반도체 소자가 크게 주목받고있다. 유기 반도체의 경우 기존 실리콘 기반 소자에서 보고된 바 없는 발광 특성을 발견된 이후, 유기 반도체 기반의 발광 소자가 크게 발전해 왔다. 대표적인 유기 반도체 기반 발광 소자로 유기 발광 다이오드가 있으며 디스플레이 산업 영역이 크게 확대되며 장수명의 저전력 유기 발광 다이오드 구현을 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 이를 위해 전계 발광 소자인 유기 발광 다이오드의 전기적 열화 원인을 명확하게 규명하는 것이 필수적이다. 본 논문에서는 청색 유기 발광 다이오드의 전기적 열화 원인을 심층적으로 분석하고 이차원 소재로써 다층 흑린 기반 트랜지스터의 양자 역학적 터널링을 통한 캐리어 전도 현상을 연구하였다. 1장에서는 청색 유기 발광 다이오드의 전기적 열화 메커니즘을 임피던스 분석 방법을 기반으로 체계적으로 입증한다. 임피던스 분석을 통해 복잡한 다층 구조의 유기 발광 다이오드를 발광층과 전송 계면으로 분리하여 각 기능 층에 따라 열화 메커니즘을 분석하였다. 열화 분석을 위해 정전류를 1,000시간 동안 소자에 인가하여 전기적 열화를 진행하였으며, 열화 시간에 따른 완화 주파수의 변화를 관찰하였다. 측정 한 임피던스와 가정한 등가 회로 모델 사이 높은 유사성과 완화 주파수의 정의에 근거하여 전하 균형 전압에서 열화 시간에 따른 완화 주파수의 변동은 발광층보다 전송 계면의 심각한 열화로부터 기인한다는 것을 발견하였다. 전송 계면과 완화 주파수 사이 높은 상관관계는 완화 주파수가 유기 발광 다이오드 내 전송 계면의 열화 정도를 판별할 수 있는 강력한 지표로써 적용될 수 있음을 시사한다. 2장에서는 다층 흑린 기반의 전계 효과 트랜지스터에서 양자 역학적 터널링 현상 원인을 체계적으로 규명한다. 해당 연구에서는 실온에서 양극성 전도 특성을 가지는 다층 흑린 전계 효과 트랜지스터 내 부성 미분 저항 현상을 발견하였다. 온도 의존적 TLM (Transfer length method)과 4단자 측정 분석을 통해 CNP (Charge neutrality point) 전압 영역에서 발견된 부성 미분 저항 현상이 금속 전극과 이차원 물질 사이 컨택 효과가 아닌 채널 물질 자체 특성으로부터 기인한다는 것을 입증하였다. 이러한 특정 드레인 전압 조건에서 관찰되는 부성 미분 저항 현상은 드레인 전압 변화에 따른 채널 내 전기적 도핑 변조 효과와 이로 인해 발생하는 밴드 대역 간 터널링 전류를 통해 설명할 수 있었다. 단일 이차원 물질 내, 밴드 대역 간 터널링을 통한 미분 저항 현상 설명은 가변 구조형 흑린 전계 효과 트랜지스터를 통해 더욱 분명하게 증명할 수 있었다.