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문제 정의
- 비정질 IGZO 박막의 경우 전하농도가 증가할수록 전하이동도가 증가하는 결과가 이미 보고된 바가 있다.1,9) 본 실험에서는 전하농도의 변화를 최소화하고, 전하이동도와 광학적 특성간의 상관관계를 조사하기 위하여 증착 시의 산소 분압과 동일한 분위기에서 후열처리를 진행하였다.
- 본 연구에서는 tail state가 비정질 IGZO 박막의 전기적, 광학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 증착 시의 레이저 밀도변화와 후열처리 공정에 따른 전하이동도와 광흡수계수의 변화를 분석하였다.
- 8) 그리고 이러한 tail state는 광학적 흡수 스펙트럼을 통해 absorption tail을 분석함으로써 알 수 있다. 본 연구에서는 증착 공정 변수와 후열처리 조건이 전하이동도와 absorption tail에 미치는 영향을 조사하여 전하이동도와 tail state간의 상관관계를 분석하였다.
제안 방법
- 5T의 자장을 사용하였다. UV-VIS 분광기(CARY 5E, Varian)을 이용하여, 비정질 IGZO 박막의 광투과도와 파장에 따른 흡수계수의 변화를 측정하여, absorption tail을 분석하였다.
- 각 샘플들의 결정성을 확인하기 위하여 XRD 분석을 이용하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다. Fig.
- 흡수계수는 Beer-Lambert법(I=I0e-αx, I: 박막을 투과한 광에너지, I0:입사한 광에너지, α:흡수계수, x:박막의 두께)을 이용하여 계산하였다. 또한 absorption tail을 정의하기 위해 흡수계수 그래프에 Tauc plot을 추가하였다. 비정질 반도체의 기초 흡수단 부근에서의 흡수계수스펙트럼은 일반적으로 Tauc 영역과 Urbach 영역으로 나뉜다.
- 레이저 밀도변화에 따른 전기적, 광학적 특성변화를 분석하기 위하여, 10 mTorr 산소분위기, 상온에서 fused silica기판에 비정질 IGZO 박막을 다양한 레이저 에너지 밀도조건에서 PLD법으로 성장하였다. 전기적 특성의 경우 레이저 에너지 밀도가 증가할수록 전하이동도가 상승하였다.
- 증착한 IGZO박막과 후열처리한 IGZO 박막의 결정성을 X-ray 회절(XRD; X’pert pro)장비를 이용하여 확인하였다.
- 후열처리가 전기적, 광학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 10 mTorr 산소분위기, 150도에서 비정질 IGZO 박막을 열처리하였다. 후열처리 공정은 비정질 IGZO박막의 전하이동도를 상승시켰으며, 이는 현재의 디스플레이 공정 상에서 저온 열처리를 통한 TFT의 성능 향상공정의 개발이 가능한 온도범위이다.
대상 데이터
- 합성된 IGZO 분말을 타겟으로 제작하여 pulsed laser deposition(PLD)법으로 fused silica 기판 위에 박막으로 제조하였다. 10 mTorr 산소 분위기에서 기판을 가열하지 않고 레이저의 에너지 밀도를 달리하면서 다양한 전하 이동도를 가지는 IGZO 박막을 증착하였다. 비정질 IGZO 박막의 경우 전하농도가 증가할수록 전하이동도가 증가하는 결과가 이미 보고된 바가 있다.
이론/모형
- 인듐, 갈륨, 아연의 원자 비를 1:1:1로 가지는 InGaZnO4(IGZO)를 고상반응법으로 합성하였다. 합성된 IGZO 분말을 타겟으로 제작하여 pulsed laser deposition(PLD)법으로 fused silica 기판 위에 박막으로 제조하였다.
- 박막의 파단면을 FESEM(SUPRA 55VP)으로 관찰하여, 비정질 IGZO 박막은 200~270 nm 정도의 두께를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 증착된 박막의 홀효과를 van der Pauw 법을 이용하여 측정하고, 전하이동도를 계산하였다(HMS-3000). 홀효과 측정은 상온에서 0.
- (IGZO)를 고상반응법으로 합성하였다. 합성된 IGZO 분말을 타겟으로 제작하여 pulsed laser deposition(PLD)법으로 fused silica 기판 위에 박막으로 제조하였다. 10 mTorr 산소 분위기에서 기판을 가열하지 않고 레이저의 에너지 밀도를 달리하면서 다양한 전하 이동도를 가지는 IGZO 박막을 증착하였다.
- 흡수계수는 Beer-Lambert법(I=I0e-αx, I: 박막을 투과한 광에너지, I0:입사한 광에너지, α:흡수계수, x:박막의 두께)을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- Fig. 1 (b)의 박막의 XRD 패턴에서는 결정질 peak이 관찰되지 않았으며 열처리 후에도 비정질 상이 유지되었음을 보여준다.
- Table 1은 비정질 IGZO 박막들의 증착조건과 그에 따른 홀효과 측정 결과를 나타낸 표이다. 10 mTorr 산소분위기에서 증착한 박막은 레이저 에너지 밀도와 관계없이 1018/cm3 정도의 전하농도를 가졌으며 10 mTorr 산소분위기, 150℃, 30분 후열처리 후에도 비슷한 1018/cm3 정도의 전하농도를 가지는 것을 확인하였다. 후열처리하기 전 LE4샘플보다 후열처리한 후 LE4A 샘플의 경우 10 cm2/Vs에서 18 cm2/Vs로 전하이동도가 상승하였다.
- 높은 전하이동도의 비정질 IGZO 박막을 얻기 위해서 증착 공정시의 변수제어 외에 후열처리 공정을 통해 박막의 성능을 높인 결과도 발표되었다.7) TFT 소자제조공정에서, 기판재질이 플라스틱인 경우에는 150℃ 이하에서, 유리기판의 경우에는 250℃ 이하에서 모든 공정이 이루어 져야 한다. 하지만 비정질 IGZO를 300℃ 이상의 온도에서 후열처리 하였을 때, 전하이동도 값이 향상된다는 것이 보고되었으며,7) 300℃ 이하 온도에서의 열처리에 따른 성능변화 결과는 보고된 바 없다.
- 전기적 특성의 경우 레이저 에너지 밀도가 증가할수록 전하이동도가 상승하였다. 가시광선 영역에서 80% 이상의 광투과도를 보였으며 전하이동도가 높을수록 투과도가 상승하였다. 흡수계수를 이용하여 tail state을 분석한 결과 absorption tail이 작을수록 전하이동도가 큰 값을 보였다.
- 이는 absorption tail이 감소함에 따라 흡수계수가 감소하고 conduction band 부근의 tail state가 감소하였기 때문이다. 결론적으로 비정질 IGZO박막에서 높은 에너지 밀도나 열처리 공정은 conduction band 부근의 tail state를 감소시켜, 전하이동도를 상승시키는 중요한 요소이다. 열처리를 거치지 않은 박막과 150℃ 후열처리를 거친 박막의 측정된 가장 높은 전하이동도는 각각 12 cm2/Vs와 18 cm2/Vs이었다.
- 우수한 성능의 TFT 소자를 제작하기 위해서는 높은 전하 이동도를 가지는 채널층을 증착하여야 한다. 높은 전하이동도의 비정질 IGZO 박막을 얻기 위해서 증착 공정시의 변수제어 외에 후열처리 공정을 통해 박막의 성능을 높인 결과도 발표되었다.7) TFT 소자제조공정에서, 기판재질이 플라스틱인 경우에는 150℃ 이하에서, 유리기판의 경우에는 250℃ 이하에서 모든 공정이 이루어 져야 한다.
- 10 mTorr에서 레이저 에너지 밀도를 달리하며 증착한 박막(L1, L2, L4, L6)의 경우에도 레이저 에너지 밀도 값의 변화와 관계 없이 모든 샘플이 가시광선 영역에서 80%이상의 광투과도를 나타내었다. 레이저 에너지의 밀도가 증가할수록 광투과도가 상승하였으며, 300 nm~ 400 nm 부근의 파장에서 광투과도가 크게 상승하였다.
- 박막의 파단면을 FESEM(SUPRA 55VP)으로 관찰하여, 비정질 IGZO 박막은 200~270 nm 정도의 두께를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 증착된 박막의 홀효과를 van der Pauw 법을 이용하여 측정하고, 전하이동도를 계산하였다(HMS-3000).
- 2는 비정질 IGZO 박막의 파장에 따른 광학적 투과도의 변화를 나타내고 있다. 산소 10 mTorr에서 증착한 박막(LE4)과 같은 분압에서 열처리한 박막(LE4A)의 경우모두 가시광선 영역에서 80% 이상의 광투과도를 보였으며, 후열처리 공정을 거치면서 박막의 광투과도가 상승하였다는 것을 확인할 수 있다. 특히 300 nm~400 nm 부근의 파장에서 광투과도가 크게 상승하였다.
- 0 eV 광자 에너지 영역대의 흡수계수가 감소하였으며, 전하이동도는 상승하였다. 열처리를 거치지 않고 조사하는 레이저 에너지 밀도를 0.8 J/cm2 (LE1), 2 J/cm2 (LE2), 4 J/cm2 (LE4), 6 J/cm2 (LE6)로 변화시켰을 때의 비정질 IGZO 박막들도 레이저 에너지 밀도가 상승함에 따라 2.0 Ev~4.0 eV 광자 에너지 영역대의 흡수계수가 감소하였다. 후열처리를 거친 박막과 높은 레이저 레이저 에너지 밀도에서 증착한 박막들은 높은 전하이동도를 가지며 비정질 박막에서 낮은 흡수계수의 값을 보였다.
- 증착 공정 시에 높은 레이저 에너지 밀도와 증착 공정 후에 150℃에서 이루어지는 후열처리 공정은 박막 내의 absorption tail을 감소시켜 전하이동도를 상승시킨다. 위의 결과들을 바탕으로 비정질 IGZO 박막 내에서의 absorption tail이 전하이동도의 값을 결정하는 중요한 요인임을 알 수 있다.
- 레이저 밀도변화에 따른 전기적, 광학적 특성변화를 분석하기 위하여, 10 mTorr 산소분위기, 상온에서 fused silica기판에 비정질 IGZO 박막을 다양한 레이저 에너지 밀도조건에서 PLD법으로 성장하였다. 전기적 특성의 경우 레이저 에너지 밀도가 증가할수록 전하이동도가 상승하였다. 가시광선 영역에서 80% 이상의 광투과도를 보였으며 전하이동도가 높을수록 투과도가 상승하였다.
- 3에서와 같이 산소 10 mTorr에서 증착한 박막 LE4와 같은 분위기에서 후열처리한 LE4A의 광자 에너지에 따른 흡수계수의 변화를 나타내었다. 후열처리 후 2.0 Ev~4.0 eV 광자 에너지 영역대의 흡수계수가 감소하였으며, 전하이동도는 상승하였다. 열처리를 거치지 않고 조사하는 레이저 에너지 밀도를 0.
- 0 eV 광자 에너지 영역대의 흡수계수가 감소하였다. 후열처리를 거친 박막과 높은 레이저 레이저 에너지 밀도에서 증착한 박막들은 높은 전하이동도를 가지며 비정질 박막에서 낮은 흡수계수의 값을 보였다.
- 후열처리 공정은 비정질 IGZO박막의 전하이동도를 상승시켰으며, 이는 현재의 디스플레이 공정 상에서 저온 열처리를 통한 TFT의 성능 향상공정의 개발이 가능한 온도범위이다. 후열처리의 결과 가시광선 영역의 광투과도가 상승하였며, absorption tail은 감소하였다.
- 가시광선 영역에서 80% 이상의 광투과도를 보였으며 전하이동도가 높을수록 투과도가 상승하였다. 흡수계수를 이용하여 tail state을 분석한 결과 absorption tail이 작을수록 전하이동도가 큰 값을 보였다.
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