[논문]InGaZnO 박막 트랜지스터의 전기 및 광학적 특성에 대한 전자빔 조사의 영향

조인환; 박해웅; 김찬중; 전병혁

doi:10.3740/mrsk.2017.27.6.345

InGaZnO 박막 트랜지스터의 전기 및 광학적 특성에 대한 전자빔 조사의 영향
Influence of Electron Beam Irradiation on the Electrical and Optical Properties of InGaZnO Thin Film Transistor 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.6, 2017년, pp.345 - 349

조인환 (한국원자력연구원 중성자응용연구부) , 박해웅 (한국기술교육대학교 에너지신소재화학공학부) , 김찬중 (한국원자력연구원 중성자응용연구부) , 전병혁 (한국원자력연구원 중성자응용연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of electron beam(EB) irradiation on the electrical and optical properties of InGaZnO(IGZO) thin films fabricated using a sol-gel process were investigated. As the EB dose increased, the electrical characteristic of the IGZO TFTs changed from semiconductor to conductor, and the threshold voltage values shifted to the negative direction. X-ray photoelectron spectroscopy analysis of the O 1s core level showed that the relative area of oxygen vacancies increased from 14.68 to 19.08 % as the EB dose increased from 0 to $1.5{\times}10^{16}electrons/cm^2$. In addition, spectroscopic ellipsometer analysis showed that the optical band gap varied from 3.39 to 3.46 eV with increasing EB dose. From the result of band alignment, it was confirmed that the Fermi level($E_F$) of the sample irradiated with $1.5{\times}10^{16}electrons/cm^2$ was located at the closest position to the conduction band minimum(CBM) due to the increase of electron carrier concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전자빔 조사의 저온공정에 적용 가능성을 확인하기 전 단계로 400^oC 열처리된 IGZO 박막에 대하여 0.1 MeV 에너지의 전자빔을 조사하여 조사량에 따른 박막의 전기적, 광학적 특성 변화를 관찰하였다.
하지만 4.5 × 1016 e/cm2 조사된 박막의 경우 오히려 드레인 전류가 감소하였는데 이러한 변화가 박막의 화학적 결합 또는 캐리어 농도와 관련 있을 것으로 생각되며 XPS와 SE 분석을 진행하여 파악하고자 하였다.

가설 설정

약 115^oC 부근에서 nitrate 기반 전구체(In(NO₃)₃ ·xH₂O, Ga(NO₃)₃ · xH₂O)가 In(OH)₃ 와 Ga(OH)₃ 로 분해된다. ¹⁰⁾ Acetate 기반 전구체 또한 해당 온도구간에서 수산화물 형태로 모두 변하게 된다. 마지막으로 320^oC 부근의 발열반응은 수산화 반응으로 형성된 In(OH)₃ , Ga(OH)₃ , Zn(OH)₂ 의분해반응(de-hydroxylation)으로 M-OH 결합에서 M-O-M 네트워크 형성이 진행되는 온도이며, 이 온도에서 박막이 형성되는 것으로 판단된다.

제안 방법

IGZO 박막의 전구체 용액을 제작하기 위하여 용매인 2-methoxyethanol [CH3OCH2 CH2OH]에 indium nitrate hydrate [In(NO3)3 ·xH2O], gallium nitrate hydrate [Ga(NO 3)3 ·xH2O], zinc acetate dihydrate [Zn(C2H3O 2)2 ·2H2O]를 0.5 M 농도로 혼합하여 전구체 용액을 제작하였고 이때 In:Ga:Zn의 비율은 2:1:1로 고정하였으며, 60oC에서 1시간 동안 교반하였다.
XPS 측정은 O 1s peak 분석을 통해 화학결합을 관찰하였고, 밴드갭은 SE측정에서 흡광계수가 급격히 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 통해 도출하였다. SE의 광학적 밴드갭 측정 결과와 XPS 가전자대 준위 측정 결과를 결합하여 밴드 정렬을 수행하였다.
솔젤법으로 제조된 IGZO 박막에 대하여 0, 7.5 × 1015 , 1.5 × 1016 , 4.5 × 1016e/cm2 의 전자빔 조사량 변화에 따른 전기, 광학적 특성 변화를 관찰하였다.
IGZO 전구체 용액의 열적 거동을 확인하기 위하여 thermogravimetry/differential thermal analysis(TG/DTA) 를 사용하였다. 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), spectroscopic ellipsometer(SE)로 각각 화학 결합과 밴드갭을 분석하였다. XPS 측정은 O 1s peak 분석을 통해 화학결합을 관찰하였고, 밴드갭은 SE측정에서 흡광계수가 급격히 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 통해 도출하였다.
5 × 10¹⁶ electrons/cm² 로 변화시켰다. 전자빔 조사 후 thermal evaporator로 약 100 nm 두께의 Al 소스와 드레인을 증착하여 트랜지스터를 제작하였다
3는 전자빔 조사량에 따른 IGZO 박막 O 1s core level 의 XPS spectra 결과이다. 정확한 화학적 결합 분석을 위하여, O 1s peak는 O_I(530.9 eV), O_II(532.0 eV), O_III (532.9 eV) 3개의 서로 다른 Gaussian peak로 nor-malization 및 de-convolution 하였다. 각 분리된 peak는서로 다른 화학적 결합을 나타낸다.

대상 데이터

This work was supported by the National Research Foundation Grant(NRF-2013M2A8A1035822) from the Ministry of Science, ICT and Future Planning(MSIP) of the Republic of Korea. The XPS measurement was performed by the Center for Research Facilities in Korea University of Technology and Education.
증착된 박막은 150^oC로 10 분간 건조시킨 후, 튜브로를 이용하여 400 ^oC에서 1 시간 동안 대기 분위기에서 열처리 하였다. 전자빔 조사는 한국원자력연구원의 0.2 MeV급 소형 전자빔 조사 장치를 이용하였다. 전자빔은 상온, 대기 분위기에서 0.

이론/모형

¹⁵⁾ Fig. 4(b) 그래프에서 흡광계수가 급격하게 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 이용하여 광학적 밴드갭을 도출하였다. 밴드갭은 전자빔 조사량이 증가함에 따라 as-dep.
IGZO 전구체 용액의 열적 거동을 확인하기 위하여 thermogravimetry/differential thermal analysis(TG/DTA) 를 사용하였다. 전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), spectroscopic ellipsometer(SE)로 각각 화학 결합과 밴드갭을 분석하였다.
전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), spectroscopic ellipsometer(SE)로 각각 화학 결합과 밴드갭을 분석하였다. XPS 측정은 O 1s peak 분석을 통해 화학결합을 관찰하였고, 밴드갭은 SE측정에서 흡광계수가 급격히 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 통해 도출하였다. SE의 광학적 밴드갭 측정 결과와 XPS 가전자대 준위 측정 결과를 결합하여 밴드 정렬을 수행하였다.
문턱전압(threshold voltage, VTH)은 VDS > VG -VTH 인 영역에서 선형 외삽법을 이용하여 구하였고 게이트 문턱전압 이하에서의 기울기(subthreshold swing, S.S.)와 포화이동도(saturation mobility, µsat) 값은 식 (1), (2)를 통하여 도출하였다.
5 M 농도로 혼합하여 전구체 용액을 제작하였고 이때 In:Ga:Zn의 비율은 2:1:1로 고정하였으며, 60^oC에서 1시간 동안 교반하였다. 혼합된 용액은 spin-coating 법을 이용하여 SiO₂(100 nm)/p ⁺-Si 기판 위에 3000 rpm, 30초동안 약 40 nm 두께로 증착하였다. 증착된 박막은 150^oC로 10 분간 건조시킨 후, 튜브로를 이용하여 400 ^oC에서 1 시간 동안 대기 분위기에서 열처리 하였다.

성능/효과

(a)의 결과를 보면 전자빔 조사량이 증가함에 따라 측정 에너지 영역에서 굴절상수 값이 증가하다 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 박막의 밀도가 상승하다 4.5 × 1016e/cm2 조사된 박막에서는 감소하였음을 의미한다.
비정질 실리콘을 사용하는 기존의 액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)의 스위칭 트랜지스터는 일반적으로 1 cm²/Vs 보다 낮은 전계 효과 이동도를 보이는 반면, 트랜지스터에 n형 산화물 반도체를 사용하여 5 cm²/Vs 이상의 전계 효과 이동도를 달성하였다.^1,2) 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 뛰어난 이동도는 고해상도 대면적 디스플레이와 휴대 가능한 소형 태블릿의 개발을 가능하게 하였다. 높은 on current(I_on) 값이 요구되는 TFT backplane 내부에 In-Ga-Zn-O(IGZO)와 같은 산화물 반도체를 사용한 제품이 출시되었으며 점차 그 범위가 확대되고 있고, 낮은 off current(I_off) 값은 소비 전력을 감소시켜 휴대용 제품 적용에 강점을 보인다.
1.5× 1016e/cm2 조사된 박막의 EF가 CBM과 가장 가깝게위치함을 확인하였고 이 시편의 전기적 특성의 변화는 전자 농도의 증가에 의한 것으로 판단된다.
13) 전자빔 조사 량이 1.5 × 1016e/cm2 으로 증가함에 따라 산소공공(OII)의상대적인 비율이 14.68에서 19.08 % 로 점진적으로 증가 후, 4.5 × 1016e/cm2 에서 17.70 %로 감소하였다.
이는 기존 보고된 전자빔 조사에 따른 밴드갭 변화 경향과 유사하였다. ¹⁶⁾전자빔 조사량이 증가함에 따라 밴드갭의 증가와 동시에 전도대 이하 영역 에서 흡광계수가 변화함을 확인하였다. 밴드갭과 전도대 이하의 흡광계수 준위의 변화가 산화물 반도체 박막의 전기적 특성에 미치는 영향을 보고했지만 ¹⁷⁾ 흡광계수가 변화하는 에너지 영역대가 보고된 연구와는 다르기 때문에 해당 결함의 상태 및 준위에 대한 추가적이 분석이 필요할 것으로 판단된다.
4.5 × 1016e/ cm2 조사된 박막의 드레인 전류가 1.5 × 1016e/cm2 조사된 박막보다 감소한 이유 또한 밴드 정렬 결과로부터 확인할 수 있었다.
4.5 × 1016e/cm2조사된 박막에서 EF와 CBM 사이의 차이는 1.5 × 1016e/ cm2 조사된 경우 보다 증가하였는데, 이는 XPS 분석 결과 산소 공공의 감소로 인한 자유전자 농도의 감소 영향으로 판단된다.
3 V에서 조사량 증가에 따라 측정범위를 벗어나 측정할 수 없었다. IGZO 박막의 전기적 특성은 전자빔 조사량이 증가함에 따라 반도체에서 도체로 변화하는 경향을 확인하였다. 하지만 4.
XPS와 SE 결과를 토대로 4.5 × 1016e/ cm2 조사된 박막의 드레인 전류가 1.5 × 1016e/cm2 조사된 박막보다 감소한 이유는 산소공공(OII) 감소에 따른 전자농도의 감소에 기인하는 것으로 판단된다.
전자빔 조사량이 1.5 × 1016 e/cm2 까지 증가함에 따라 Ion 과 Ioff 값이 함께 증가하였으며, S.S. 값은 증가하여 소자 특성이 나빠지는 경향을 보였다.
전자빔 조사전 박막과 7.5 × 1015e/cm2 조사된 박막은 트랜지스터 특성을 보여주었고, 1.5 × 1016 , 4.5 × 1016e/ cm2 조사된 박막의 경우 −40 ~ 40 V의 게이트 전압 범위에서 각각 10−3, 10−4 A 정도의 거의 일정한 드레인 전류 특성을 보였다.
5× 10¹⁶e/cm² 이상 조사된 경우 도체와 같은 전기적 특성을 보였다. 조사량 증가에 따라 XPS 분석 결과 산소 공공의 비율이 증가하다 일정 조사량 이후 감소하였고, SE 분석결과 3.39 eV에서 3.46 eV로 밴드갭이 증가하였다. 밴드갭과 E_F의 밴드 정렬을 통하여 밴드갭 내의 E_F의 위치를 파악하여 전자 농도를 비교할 수 있었다.

후속연구

¹⁶⁾전자빔 조사량이 증가함에 따라 밴드갭의 증가와 동시에 전도대 이하 영역 에서 흡광계수가 변화함을 확인하였다. 밴드갭과 전도대 이하의 흡광계수 준위의 변화가 산화물 반도체 박막의 전기적 특성에 미치는 영향을 보고했지만 ¹⁷⁾ 흡광계수가 변화하는 에너지 영역대가 보고된 연구와는 다르기 때문에 해당 결함의 상태 및 준위에 대한 추가적이 분석이 필요할 것으로 판단된다.
등 트랜지스터 특성에 영향을 미치게 되는데 이와 같은 변화는 전자빔 조사를 통해 생성된 결함 및 결합 상태 변화의 영향으로 판단된다. 후속 연구로써 열처리 전 박막에 전자빔 조사를 행한 후 저온 열처리를 진행하는 방식으로 공정을 변화하여 전자빔을 이용한 소자의 저온 공정 및 반도체 전기적 특성 향상 가능성을 확인해 보고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비정질 산화물 반도체의 장점은?	비정질 산화물 반도체는 기존 비정질 실리콘 공정을 사용하여 증착할 수 있으며 높은 수준의 캐리어 이동도로 인하여 평판 디스플레이 분야에서 많은 주목을 받아오고 있다. 비정질 실리콘을 사용하는 기존의 액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)의 스위칭 트랜지스터는 일반적으로 1 cm2/Vs 보다 낮은 전계 효과 이동도를 보이는 반면, 트랜지스터에 n형 산화물 반도체를 사용하여 5 cm2/Vs 이상의 전계 효과 이동도를 달성하였다.
	산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터의 장점은?	비정질 실리콘을 사용하는 기존의 액티브 매트릭스 액정 디스플레이(AMLCD)의 스위칭 트랜지스터는 일반적으로 1 cm2/Vs 보다 낮은 전계 효과 이동도를 보이는 반면, 트랜지스터에 n형 산화물 반도체를 사용하여 5 cm2/Vs 이상의 전계 효과 이동도를 달성하였다.1,2) 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 뛰어난 이동도는 고해상도 대면적 디스플레이와 휴대 가능한 소형 태블릿의 개발을 가능하게 하였다. 높은 on current(Ion) 값이 요구되는 TFT backplane 내부에 In-Ga-Zn-O(IGZO)와 같은 산화물 반도체를 사용한 제품이 출시되었으며 점차 그 범위가 확대되고 있고, 낮은 off current(Ioff) 값은 소비 전력을 감소시켜 휴대용 제품 적용에 강점을 보인다.
	산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터의 backplane 내부에 사용되는 산화물 반도체에는 어떤 것이 있는가?	1,2) 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 뛰어난 이동도는 고해상도 대면적 디스플레이와 휴대 가능한 소형 태블릿의 개발을 가능하게 하였다. 높은 on current(Ion) 값이 요구되는 TFT backplane 내부에 In-Ga-Zn-O(IGZO)와 같은 산화물 반도체를 사용한 제품이 출시되었으며 점차 그 범위가 확대되고 있고, 낮은 off current(Ioff) 값은 소비 전력을 감소시켜 휴대용 제품 적용에 강점을 보인다.3,4)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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