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문제 정의
- 또한 SnO2 반도체는 ZnO 및 In2O3 대비 낮은 녹는점과, 고이동도 및 높은 밴드갭을 보여주어, 고성능의 광전자소자를 제작 하는데 있어, 가장 적합한 반도체 물질로 각광받고 있다[10-12]. 따라서 본 연구에서는 Sol-gel 공법을 이용하여 SnO2 박막을 형성하였고, 이를 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하고 특성을 평가하였다. 또한 제작된 박막 트랜지스터의 광 응답 특성을 확보하고, 다양한 Parameter 를 평가하였다.
제안 방법
- 제작된 Source/Drain 전극의 두께는 50 nm 이며, 채널의 길이와 폭은 각각 1000 um 및 100 um 이다. SnO2 박막을 형성하기 전, 표면의 불순물 제거 및 균일한 박막의 형성을 위하여 UV/O3 조사하였다. 이후 3000 rpm 에서 50초 동안 Spin coating 방법을 통하여 박막을 형성시켰다.
- 0 V 이다. 광센서의 특성 평가를 위한 대표적인 Parameter 인 responsivity (R), gain (G), detectivity (D*) 및 photosensitivity (S) 값을 아래의 수식으로 평가하였다.\
- 따라서 본 연구에서는 Sol-gel 공법을 이용하여 SnO2 박막을 형성하였고, 이를 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하고 특성을 평가하였다. 또한 제작된 박막 트랜지스터의 광 응답 특성을 확보하고, 다양한 Parameter 를 평가하였다.
- 박막의 결정 구조는 X’pert pro grazing incidence X-ray diffractometer 를 이용하여 분석하였다. 박막의 광특성은 UV-Vis spectroscopy를 측정하여 분석하였다. 제작된 트랜지스터의 광전기적 특성은 상온, 공기중에서 Agilent 4155 반도체 Parameter 분석기로 측정하였다.
- Boron 이 도핑된 p-type 실리콘 기판 위에 100 nm 두께의 SiO2 절연막을 Dry-oxidation 방법을 통하여 성장시켰다. 이후 Source/Drain 전극을 Photolithography 공정과 E-beam evaporation 공정을 이용하여 Au Source/Drain 전극을 제작하였다. 제작된 Source/Drain 전극의 두께는 50 nm 이며, 채널의 길이와 폭은 각각 1000 um 및 100 um 이다.
- 8 V 이며, 이를 통하여 제작된 SnO2 박막 트랜지스터는 Depletion Mode 로 동작함을 확인하였다. 제작된 트랜지스터를 백색광에 노출시켜 광응답특성을 확인하여 센서를 제작하였다. 광센서의 특성 평가를 위한 대표적인 Parameter 인 responsivity (R), gain (G), detectivity (D*) 및 photosensitivity (S) 값을 아래의 수식으로 평가하였다.
- 박막의 광특성은 UV-Vis spectroscopy를 측정하여 분석하였다. 제작된 트랜지스터의 광전기적 특성은 상온, 공기중에서 Agilent 4155 반도체 Parameter 분석기로 측정하였다. 주사된 백색광은 OSRAM HLX64633 할로겐 램프 (100 mW cm-2)를 사용하였다.
- 이후 Furnace에서 500 ℃ 로 2시간 동안 공기중에서 열처리 하였다. 측정 전 게이트 누설 전류 및 Fringe 효과를 막기위해 증착된 박막을 기계적으로 패터닝하였다. 박막의 결정 구조는 X’pert pro grazing incidence X-ray diffractometer 를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- SnO2 박막을 형성하기 위하여 전구체로 SnCl2·2H2O를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 모든 시약은 Sigma-Aldrich 에서 구입하였으며, 추가적인 공정없이 실험에 사용되었다. SnO2 박막을 형성하기 위하여 전구체로 SnCl2·2H2O를 사용하였다.
- 이후 Source/Drain 전극을 Photolithography 공정과 E-beam evaporation 공정을 이용하여 Au Source/Drain 전극을 제작하였다. 제작된 Source/Drain 전극의 두께는 50 nm 이며, 채널의 길이와 폭은 각각 1000 um 및 100 um 이다. SnO2 박막을 형성하기 전, 표면의 불순물 제거 및 균일한 박막의 형성을 위하여 UV/O3 조사하였다.
- 제작된 트랜지스터의 광전기적 특성은 상온, 공기중에서 Agilent 4155 반도체 Parameter 분석기로 측정하였다. 주사된 백색광은 OSRAM HLX64633 할로겐 램프 (100 mW cm-2)를 사용하였다.
이론/모형
- Boron 이 도핑된 p-type 실리콘 기판 위에 100 nm 두께의 SiO2 절연막을 Dry-oxidation 방법을 통하여 성장시켰다.
- 박막의 결정 구조는 X’pert pro grazing incidence X-ray diffractometer 를 이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 Sol-gel 공법을 이용하여 고결정성의 SnO2 박막을 형성하였다. 형성된 SnO2 박막 트랜지스터는 전형적인 n-type 반도체 특성을 보여주었다.
성능/효과
- 계산된 SnO2 박막의 밴드갭은 3.95 eV 로 Bulk SnO2 반도체의 밴드갭인 3.67 eV 보다는 큰 값을 보여주었다. 이는 박막의 두께가 얇아짐에 따라 2D 박막에서 발생하는 밴드갭 브로드닝 효과가 발생함을 확인 할 수 있었다.
- 이를 통하여 형성된 박막은 tetragonal 구조의 SnO2 박막임을 확인하였다. 또한 Sn및 SnO Peak 이 나타나지 않았으며, 전구체가 SnO2 박막으로 변환되었음을 확인할 수 있었다. 또한 다양한 plane의 Peak이 확인되는 것을 보아 poly-crystalline 구조임을 확인하였다.
- 또한 Sn및 SnO Peak 이 나타나지 않았으며, 전구체가 SnO2 박막으로 변환되었음을 확인할 수 있었다. 또한 다양한 plane의 Peak이 확인되는 것을 보아 poly-crystalline 구조임을 확인하였다. 특히 (110) 방향의 Peak 의 세기가 가장 크게 확인되는 것으로 열처리 과정에서 (110) 방향의 결정 성장이 쉽게 일어남을 확인할 수 있었다.
- 박막의 GIXRD 패턴을 보여준다. 얻어진 Peak 을 토대로 확인해 본 결과, 측정된 박막의 스펙트럼은 표준 JCDPS 41-1445 데이터와 일치함을 확인하였다. 이를 통하여 형성된 박막은 tetragonal 구조의 SnO2 박막임을 확인하였다.
- 67 eV 보다는 큰 값을 보여주었다. 이는 박막의 두께가 얇아짐에 따라 2D 박막에서 발생하는 밴드갭 브로드닝 효과가 발생함을 확인 할 수 있었다. 또한, 아래의 수식을 통하여 브로드닝 효과를 예측할 수 있다[13].
- 얻어진 Peak 을 토대로 확인해 본 결과, 측정된 박막의 스펙트럼은 표준 JCDPS 41-1445 데이터와 일치함을 확인하였다. 이를 통하여 형성된 박막은 tetragonal 구조의 SnO2 박막임을 확인하였다. 또한 Sn및 SnO Peak 이 나타나지 않았으며, 전구체가 SnO2 박막으로 변환되었음을 확인할 수 있었다.
- 2×105 이다. 제작된 소자의 Vth 는 -3.8 V 이며, 이를 통하여 제작된 SnO2 박막 트랜지스터는 Depletion Mode 로 동작함을 확인하였다. 낮은 VDS 전압에서 전압과 전류는 선형적인 특성을 보여주지는 않았으며, 이는 n-type 반도체인 SnO2 와 Source/Drain으로 사용한 Au 의 일함수차에서 발생하는 에너지 장벽으로 인한 것임을 확인할 수 있었다[14,15].
- 또한 다양한 plane의 Peak이 확인되는 것을 보아 poly-crystalline 구조임을 확인하였다. 특히 (110) 방향의 Peak 의 세기가 가장 크게 확인되는 것으로 열처리 과정에서 (110) 방향의 결정 성장이 쉽게 일어남을 확인할 수 있었다. 열처리 후 박막의 결정 크기는 Scherrer Equation (1)을 통하여 알 수 있었다.
- 67×102 이였다. 특히 제작된 소자는 빛에 노출되었을 때 발생한 광전류가 초기에 급격히 증가하다가, 이후에 서서히 증가됨을 확인할 수 있었다. 초기의 급격한 증가는 빛에 의해 여기 된 전자가 직접적으로 고에너지 준위로 직접이동하기 때문이다.
후속연구
- 또한 지속적으로 인가된 VG전압에 의하여 음의 방향으로 이동한 Vth 도 전류값의 증가에 기여했다고 판단된다. 따라서 안정적인 Vth 를 위해서 Doping 공정을 진행하고, 구체적인 광전류 메카니즘 분석을 위한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다[17,18].
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