[논문]Li 도핑된 ZnSnO 박막 트랜지스터의 전기 및 광학적 특성에 대한 고속 중성자 조사의 영향

조인환; 김찬중; 전병혁

doi:10.3740/mrsk.2020.30.3.117

Li 도핑된 ZnSnO 박막 트랜지스터의 전기 및 광학적 특성에 대한 고속 중성자 조사의 영향
Influence of Fast Neutron Irradiation on the Electrical and Optical Properties of Li Doped ZnSnO Thin Film Transistor 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.30 no.3, 2020년, pp.117 - 122

조인환 (한국원자력연구원 신소재융합기술연구부) , 김찬중 (한국원자력연구원 신소재융합기술연구부) , 전병혁 (한국원자력연구원 신소재융합기술연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of fast neutron irradiation on the electrical and optical properties of Li (3 at%) doped ZnSnO (ZTO) thin films fabricated using a sol-gel process are investigated. From the results of Li-ZTO TFT characteristics according to change of neutron irradiation time, the saturation mobility is found to increase and threshold voltage values shift to a negative direction from 1,000 s neutron irradiation time. X-ray photoelectron spectroscopy analysis of the O 1s core level shows that the relative area of oxygen vacancies is almost unchanged with different irradiation times. From the results of band alignment, it is confirmed that, due to the increase of electron carrier concentration, the Fermi level (EF) of the sample irradiated for 1,000 s is located at the position closest to the conduction band minimum. The increase in electron concentration is considered by looking at the shallow band edge state under the conduction band edge formed by fast neutron irradiation of more than 1,000 s.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

⁹⁾ 중성자 이외에도 전자,^10-13) 양성자, ^14,15) 이온 ¹⁶⁾ 등 다양한 형태의 조사 연구가 수행되어 왔으며 입자선의 종류와 에너지에 따라 소자의 특성이 향상 또는 저하되는 결과를 보였다. 하지만 ZTO 기반 산화물 반도체에 대한 고속 중성자 조사 연구는 수행되지 않았으며 본 연구에서는 Li 도핑된 ZTO 박막의 고속중성자 조사로 인한 전기적 특성 변화를 분석하여 산화물 반도체 공정에서의 적용 가능성을 알아보고자 하였다.

제안 방법

사이클로트론으로 부터 가속된 30 MeV의 양성자빔을 베릴륨(Be) 판에 조사 후 발생되는 고속 중성자를 실험에 사용하였다. 발생 된 고속 중성자의 플럭스(flux)는 약 10⁸neutrons/cm² ·sec 이며 조사 시간을 10, 100, 1,000 그리고 2,000초로 달리 하여 중성자 조사량을 조절하였다. 이때 각 조사 시간에 해당하는 도즈(dose)는 약 10⁹ , 10¹⁰, 10¹¹그리고 2×10¹¹n/cm² 이었다.
본 연구에서는 솔젤 공정을 통해 제작된 Li (3 at%)-ZTO TFT에 대한 고속 중성자 조사량 변화에 따른 전기, 화학 결합, 광학적 특성 변화를 분석하였다. 조사 시간이 증가함에 따라 Li-ZTO TFT의 on/off 비율과 S.

대상 데이터

Li-ZTO 용액 제조에 사용된 금속 전구체는 Zn acetate dihydrate [Zn(C₂H₃O₂ ) ₂ ·2H ₂O], Sn chloride dihydrate [SnCl₂ ·2H₂O] 그리고 Li acetate dihydrate [CH₃ COOLi· 2H₂O]을 사용하였다. Zn:Sn 비율은 1:2로 고정하였으며 Li의 전체 용액의 3 at%를 첨가하여 0.
O]을 사용하였다. Zn:Sn 비율은 1:2로 고정하였으며 Li의 전체 용액의 3 at%를 첨가하여 0.5 M 농도의 전구체 용액을 제작하였다. 용액은 핫플레이트에서 60 °C, 2 시간 동안 교반하였다.
중성자 조사는 한국원자력의학원의 MC-50 사이클로트 론의 수평형 조사 시설을 이용하였다. 사이클로트론으로 부터 가속된 30 MeV의 양성자빔을 베릴륨(Be) 판에 조사 후 발생되는 고속 중성자를 실험에 사용하였다. 발생 된 고속 중성자의 플럭스(flux)는 약 10⁸neutrons/cm² ·sec 이며 조사 시간을 10, 100, 1,000 그리고 2,000초로 달리 하여 중성자 조사량을 조절하였다.

이론/모형

용액은 핫플레이트에서 60 °C, 2 시간 동안 교반하였다. Spin-coating 법을 이용하여 제조된 용액을 SiO₂ (100 nm)/P ⁺⁺-Si 기판 위에 3,000 rpm, 30초 동안 약 40 nm 두께로 증착하였다. 선행연구를 통하여 약 100 °C에서 용매의 증발과 가수분해반응, 260 °C 부근에서 Zn(OH)₂, LiOH, 그리고 Sn(OH)₂ 의 분해반응, 그리고 400 °C 이상의 온도 구간에서 박막의 치밀화가 이루어짐을 확인하였다.
전기적 특성은 semiconductor parameter analyzer를 이용하여 분석하였으며, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)로 화학결합을, spectroscopic ellipsometer(SE)로광학 밴드갭과 전도대 아래 엣지 영역을 분석하였다. XPS 측정은 O 1s peak 분석을 통해 화학결합을 관찰하였고, 광학 밴드갭은 SE 측정에서 흡광 계수가 급격히 증가하는 지점을 기준으로 외삽법을 통해 도출하였다. SE의 광학적 밴드갭 측정 결과와 XPS 가전자대 준위 측정 결과를 결합하여 밴드 정렬을 수행하였다.

성능/효과

전도대 이하 엣지 영역을 가우시안 함수로 분리한 결과 1,000초에서 D1 영역이 증가하였고 이로 인하여 전자 농도가 증가하였을 것으로 판단된다. 밴드정렬 결과에서 중성자 조사 1,000초의 포화이동도의 증가는 페르미 준위가 전도대와 가깝게 위치하기 때문이며, 전자가 전도대로 쉽게 여기되기 때문에 높은 전자 농도를 나타내는 것으로 판단된다.
낮은 중성자 flux (~10⁸ n/cm² ·sec)로 인하여 산소공 공을 포함한 화학결합 변화에는 영향을 미치지 못한 것으로 보여진다. 전도대 이하 엣지 영역을 가우시안 함수로 분리한 결과 1,000초에서 D1 영역이 증가하였고 이로 인하여 전자 농도가 증가하였을 것으로 판단된다. 밴드정렬 결과에서 중성자 조사 1,000초의 포화이동도의 증가는 페르미 준위가 전도대와 가깝게 위치하기 때문이며, 전자가 전도대로 쉽게 여기되기 때문에 높은 전자 농도를 나타내는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 솔젤 공정을 통해 제작된 Li (3 at%)-ZTO TFT에 대한 고속 중성자 조사량 변화에 따른 전기, 화학 결합, 광학적 특성 변화를 분석하였다. 조사 시간이 증가함에 따라 Li-ZTO TFT의 on/off 비율과 S.S.

의 변화는 관찰되지 않았지만 1,000초와 2,000초에서 이동도 상승과 함께 문턱전압이 음의 방향으로 이동하였다. 낮은 중성자 flux (~10⁸ n/cm² ·sec)로 인하여 산소공 공을 포함한 화학결합 변화에는 영향을 미치지 못한 것으로 보여진다.

후속연구

포화이동도 특성 향상은 전도대 이하 D1, D2 영역이 변화하기 때문으로 판단된다. 본 연구로부터 특성 향상을 목적으로 하는 산화물 트랜지스터 공정에 대한 고속 중성자 조사의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광전자 소자의 투명전극으로 사용함에 있어 주석이 인듐을 대체하기 위한 물질로 각광받고 있는 이유는?	산화물 반도체 중 ITO(인듐-주석 산화물) 박막이 광전자 소자의 투명전극으로 이용되고 있으나, 인듐의 적은 매장량으로 인하여 인듐을 대체하기 위한 물질로 주석이 각광받고 있다. 주석의 전자 배치(electronic configuration) 는 5p 오비탈을 제외하면 인듐과 같아 전기적 특성이 유사하기 때문이다. ZTO(아연-주석 산화물)는 인듐을 사용 하지 않는 대신에 주석의 비율을 늘리고 아연을 첨가한 물질로서 ITO를 대체할 후보군으로 주목받고 있다.
	ZnO 산화물 반도체의 특징은?	ZnO 산화물 반도체는 용액공정이 가능하고 가시광선 영역에서 투명하며 자체적으로 발생한 캐리어에 의한 n형 반도체 특성 등 기존 비정질 실리콘과 비교하여 큰 장점이 있다. ZnO는 Ⅱ-Ⅳ족 반도체로 2 K에서 약 3.
	Li-ZTO 용액 제조 시 각 원소의 비율과 농도는?	Li-ZTO 용액 제조에 사용된 금속 전구체는 Zn acetate dihydrate [Zn(C2H3O2 ) 2 ·2H 2 O], Sn chloride dihydrate [SnCl 2 ·2H 2 O] 그리고 Li acetate dihydrate [CH 3 COOLi· 2H 2 O]을 사용하였다. Zn:Sn 비율은 1:2로 고정하였으며 Li의 전체 용액의 3 at%를 첨가하여 0.5 M 농도의 전구체 용액을 제작하였다. 용액은 핫플레이트에서 60 °C, 2 시간 동안 교반하였다.

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저자의 다른 논문 :

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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