[논문]쇼키 접합을 갖는 박막의 전기적인 특성에 따른 나노반도체구조에 관한 연구

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[국내논문] 쇼키 접합을 갖는 박막의 전기적인 특성에 따른 나노반도체구조에 관한 연구
Study on the Nano Semiconductor Structure due to the Electrical Characteristics of Thin Films with Schottky Contacts 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.1, 2017년, pp.70 - 74

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To research the electrical properties of ZnS thin films with various annealing conditions, ZnS was prepared by RF magnetron sputtering system and annealed in a vacuum for 10 minutes. All films were analyzed by the XRD, PL and I-V measurement system. The XRD pattern of ZnS film annealed at $100^{\circ}C$ was shifted to lower 2 theta because of the formation of a depletion region at the interface between a substrate and ZnS thin film, and the capacitance was abruptly increased. However, the pattern of XRD of ZnS film annealed at $100^{\circ}C$ with a Schottky contact was showed the amorphous structure, and the current-voltage characteristics were non-linearly observed by the Schottky contact.

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문제 정의

본 논문에서는ZnS의 대한 가능성을 조사를 하였고, 이것을 토대로 하여서 열처리 분위기에 따라서 특성에 얼마나 영향을 주는지에 대해서 알아보았다. ZnS박막은 RFSputter를 이용하여 증착을 하였으며, 이 Sputtering방법은 물질의 전기적 특성의 일정하게 유지를 가능하게 해주고, 저온공정이 가능하다.
또한 Chamber안의 공정조건을 세밀하게 제어가 가능하다는 점을 가지고 있다. 산화물반도체 박막은 열처리 온도에 따라 결정성과 특성이 바뀌기 때문에 열처리 환경에 따른 결정성과 전류의 변화에 대해서 연구를 하였다.

제안 방법

ZnS박막 산화물 반도체의 전기적인 특성의 변화에 대해서 분석을 하였다. ZnS의 증착은 RF-Sputter를 이용하였고, 기판은 P-type Si기판을 사용하였다.
그리고 똑같은 Ar:O₂ = 5 sccm:15 sccm의 비율로 증착을 하였다. 증착된 박막은 Furnace를 이용하여서 열처리 환경을 진공과 대기압 상태로 나누어서 R.T, 100℃~250℃의 열처리를 진행을 하였다. 공정에 대한 변수 값은 위의 Table 1에 기재를 하였다.
그리고 전극은 Al을 Evaporato로 증착 하였다. 전기적인 특성을 보기 위해서 PL과 XRD, I-V분석내용을 서로 비교하였다.
5도와 34도 근처에서 확인이 되며, 전체적으로 XRD 패턴은 열처리를 하여도 변화가 없어 보이는 것을 알 수 있다. XRD 패턴을 세밀하게 관찰하기 위해서 30.5도와 34도근처를 확대하여 관찰하였다.
대부분 박막에서 커패시턴스가 매우 크게 변하였다. 커패시턴스와 전류의 상관성을 조사하기 위하여 Fig. 6과 같이 열처리온도에 따른 ZnS의 전류-전압특성과 커패시턴스 변화 사이의 연관성을 살펴보았다.
ZnS 박막의 특성을 조사하기 위하여 스퍼터링 시스템을 이용하여 ZnS 박막을 증착하고 진공 중에서 열처리를 하여 결정성과 전기적인 특성과의 상관성을 비교 분석하였다. ZnS 박막은 열처리를 하면 기판과 계면에서의 화학적 반응으로 공핍층이 형성되며, 공핍층이 증가할 수록 비정질특성을 나타내며, 공핍층 내에서의 확산전류의 증가로 전기적으로 비선형특성이 나타나며, 확산전류에 의한 전하량의 증가는 커패시턴스를 증가하였다.

대상 데이터

ZnS박막 산화물 반도체의 전기적인 특성의 변화에 대해서 분석을 하였다. ZnS의 증착은 RF-Sputter를 이용하였고, 기판은 P-type Si기판을 사용하였다. 그리고 똑같은 Ar:O₂ = 5 sccm:15 sccm의 비율로 증착을 하였다.

성능/효과

진공 중에서 열처리한 ZnS박막의 XRD 패턴을 살펴보면 열처리 온도에 따라서 낮은 각도방향으로 이동하고 있다가 200도로 열처리를 하면 다시 높은 방향으로 이동하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 ZnS열처리 온도에 따라서 결정성에 민감하게 반응하며, 100도와 150도 공정에서 비정질특성이 나타났다가 다시 열처리 온도가 높아지면 결정성으로 변하고 있는 것을 알 수 있다.
ZnS 박막의 특성을 조사하기 위하여 스퍼터링 시스템을 이용하여 ZnS 박막을 증착하고 진공 중에서 열처리를 하여 결정성과 전기적인 특성과의 상관성을 비교 분석하였다. ZnS 박막은 열처리를 하면 기판과 계면에서의 화학적 반응으로 공핍층이 형성되며, 공핍층이 증가할 수록 비정질특성을 나타내며, 공핍층 내에서의 확산전류의 증가로 전기적으로 비선형특성이 나타나며, 확산전류에 의한 전하량의 증가는 커패시턴스를 증가하였다. 커패시턴스의 증가는 전하케리어에 의한 증가가 아니고 전위차에 의한 크기이기 때문에 공핍층이 만들어지면서 반도체 구조가 형성된다는 것을 확인할 수 있었다.
ZnS 박막은 열처리를 하면 기판과 계면에서의 화학적 반응으로 공핍층이 형성되며, 공핍층이 증가할 수록 비정질특성을 나타내며, 공핍층 내에서의 확산전류의 증가로 전기적으로 비선형특성이 나타나며, 확산전류에 의한 전하량의 증가는 커패시턴스를 증가하였다. 커패시턴스의 증가는 전하케리어에 의한 증가가 아니고 전위차에 의한 크기이기 때문에 공핍층이 만들어지면서 반도체 구조가 형성된다는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Indium의 독성 저온증착 등의 문제를 해결하기 위해 대체할 수 있는 물질은?	[1-3] 하지만 Indium 의 독성, 저온증착의 어려움, Indium의 희소성, 과도한 열처리로 인한 특성변이의 문제가 발견되고 있다. 이러한 문제를 해결할 방법으로 SnO2, ZTO, ZnO와 같은 물질이 사용되고 있다. 여기에 전도성이 높은 물질을 도핑을 하면서 전도성이 낮은 비 저항을 나타낼 수 있다고 연구가 되었는데, 투명박막의 재료물질을 어떤 물질을 쓰느냐에 따라서 물질의 결정화나 방향성이 다르게 나타나기 때문에 이동도와 면저항의 수치가 다르게 바뀌어져 프로세스의 최적화가 꼭 필요하다.
	높은 사용률과 효과율을 보여주고 있는 물질은 무엇이 있는가?	1eV 이상의 넓은 밴드 갭, ~10^-4Ω㎝ 이하의 낮은 비 저항을 나타내어야 한다. 현재 가장 높은 사용률과 효과율을 보여주고 있는 물질은 ITO (Indium Tin Oxide), IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)를 예로 들 수 있다.[1-3] 하지만 Indium 의 독성, 저온증착의 어려움, Indium의 희소성, 과도한 열처리로 인한 특성변이의 문제가 발견되고 있다.
	투명전극으로 사용하기 위해 투명박막은 어떤 조건을 갖추어야 하는가?	투명전극에 사용되는 투명 박막은 높은 광 투과율과 높은 전자농도, 3.1eV 이상의 넓은 밴드 갭, ~10^-4Ω㎝ 이하의 낮은 비 저항을 나타내어야 한다. 현재 가장 높은 사용률과 효과율을 보여주고 있는 물질은 ITO (Indium Tin Oxide), IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)를 예로 들 수 있다.

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