ZnSnO 박막 트랜지스터 특성에 대한 리튬 도핑 및 중성자 조사의 영향 = Effects of lithium doping and neutron irradiation on the properties of ZnSnO TFTs

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Oxide semiconductors have attracted significant attention in the
field of thin film transistors(TFTs) because of their high level of
carrier mobility compared to conventional amorphous silicon. The
excellent mobility of thin film transistors based on oxide
semiconductors has enabled the development of high-resolution,
large-area displays and portable small-sized tablets. In the case of
ZTO, Zn and Sn provide excellent electrical properties, but there are
limitations in controlling the carrier concentration using only these two
elements. As the standard electrode potential(SEP) of lithium is –3.04
V, it can effectively control the defects such as the oxygen vacancy
and lithium increases the electron concentration by an interstitial
bonding which acts as a donor level in ZnO matrix. In this study, the
electrical properties and environmental stability were improved by
lithium doping on ZTO and the saturation mobility was increased by
the neutron irradiation on lithium doped ZTO.
The Zn:Sn ratio and concentration of Li-ZTO solutions were fixed
1:2 and 0.5 M respectively, and Li content was varied by 0, 3, 7 and
15 at.%. The thin films were deposited on SiO2(100 nm)/Si p++
substrate by using the spin coating method and were synthesized
through drying and heat treatment processes. In order to fabricate
TFTs, 100 nm thickness Al was deposited by thermal evaporator. The
Li 3 at.%-ZTO film was used as a neutron irradiation sample and the
fast neutron generated by 30 MeV proton irradiation on a Be target
was used. The irradiation dose was varied by changing irradiation
time from 10 to 2000 sec.
As the result of Li-ZTO TFT characteristic according to the
lithium content, the highest saturation mobility was exhibited at Li 3
at.% addition. In order to confirm the reason of increasing saturation
mobility, O 1s and Sn 3d spectra of XPS was analyzed. As increasing
lithium content, the electron concentration was decreased because
oxygen vacancy was decreased and SnO bonding was increased. From
the band alignment by using SE and XPS results, the Fermi level of
Li 3 at.% added ZTO was located at the closest position to the
conduction band minimum. It means that the electron concentration
was increased and it is because of electron generation by lithium
interstitial bonding in ZnO matrix. As the result of PBS Li 3
at.%-ZTO TFT showed improved gate bias stability.
As the result of Li-ZTO TFT characteristic according to the
change of neutron dose, the saturation mobility was increased at 1000
s neutron irradiation time. From the XPS and SE results, chemical
bonding states were not changed, but the Fermi level of 1000 s
irradiated TFT located at the closest position to the conduction band
minimum from the band alignment results. The cause of increasing
saturation mobility is because the electron is easily exited to the
conduction band by increasing D1 state in conduction band edge.

국문 초록 (Abstract)

산화물 반도체는 기존 비정질 실리콘과 비교하여 높은 수준의 캐리어
이동도로 인하여 박막 트랜지스터 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 산화
물 반도체 기반의 박막 트랜지스터(TFTs)의 뛰어난 이동도는 고해상도
대면적 디스플레이와 휴대 가능한 소형의 태블릿의 개발을 가능하게 하였
다. ZTO의 경우 Zn와 Sn이 우수한 전기적 특성을 제공하지만, 두 원소만
으로는 특성 제어에 한계가 있다. 리튬의 표준전극전위는 –3.04 V로써
산소와의 강한 결합력을 가지므로 결함 제어를 효과적으로 할 수 있으며,
리튬은 ZnO 격자 내에서 도너 준위인 침입형 결합을 하여 전자농도를 증
가시킨다. 본 연구에서는 ZTO에 리튬을 도핑하여 TFT의 전기적 특성
및 환경 안정성을 향상시켰으며, 리튬 도핑된 ZTO 박막에 중성자를 조사
하여 이동도 특성을 향상시켰다.
Li-ZTO 전구체 용액의 Zn:Sn 비율과 농도는 1:2 그리고 0.5 M로 고정
하였고 Li의 양은 각각 0, 3, 7 그리고 15 at.%로 변화하여 용액을 제작하
였다. 스핀코팅 방법을 이용하여 SiO2(100 nm)/Si p++ 기판에 박막을 증착
하였으며 건조와 열처리 과정을 통하여 박막을 합성하였다. 합성된 박막
을 트랜지스터로 제작하기 위해 thermal evaporator를 이용하여 알루미늄
을 100 nm 두께로 증착하였다. Li 3 at.-ZTO 박막을 중성자 조사용 샘플
로 사용하였으며, 30 MeV 양성자를 가속하여 베릴륨(Be)판에 조사 후 발
생되는 고속 중성자 (~108n/cm2sec)를 사용하였다. 조사시간은 10, 100,
1000, 2000 초로 달리하여 중성자 조사량을 조절하였다.
리튬 함량 변화에 따른 Li-ZTO TFT의 소자 특성을 측정한 결과 Li 3
at.% 첨가 시에 가장 높은 포화이동도를 나타냈다. 포화이동도 증가 원인
을 확인하기 위하여 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) O 1s와 Sn
3d spectra를 분석하였다. 리튬 함량이 증가함에 따라 산소공공이 감소,
SnO 결합이 증가하여 전자농도가 감소하였다. Spectroscopic
ellipsometer(SE)와 XPS 결과를 이용한 밴드 정렬 결과 Li이 3 at. % 첨
가된 ZTO 박막의 페르미 준위가 전도대 최소 에너지(conduction band
minimum)와 가장 가깝게 위치함을 확인하였다. 이는 전자 농도가 증가하
였음을 의미하며 리튬 침입형 결합에 의한 자유전자 생성에 의한 것으로
판단된다. Positive bias stress(PBS) 측정결과 Li 3 at.%-ZTO TFT에서
향상된 게이트 바이어스 안정성을 확인하였다.
중성자 조사량 변화에 따른 Li-ZTO TFT의 소자 특성을 측정한 결과
1000초 조사 이후부터 포화이동도가 증가하였다. XPS와 SE 분석 결과
산소공공 등의 화학결합 상태는 변화되지 않았지만, 밴드정렬 결과 중성
자 1000초 조사된 박막의 페르미 준위가 전도대 최소 에너지와 가장 가깝
게 위치함을 확인하였다. 1000초 조사된 TFT의 전자농도 상승의 원인은
전도대 엣지의 D1 영역 증가에 의해 전자가 쉽게 전도대로 여기하기 때
문으로 판단된다.