ZnSnO 합금 및 Zn2SnO4 화합물 박막의 광학적 특성 = -Optical Properties of ZnSnO Alloy and Zn2SnO4 Compound thin films-

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 다양한 조성의 비정질과 결정질 ZTO 박막의 광학적 성질을 분석하였다. 상온에서 SiO2/Si 기판위에 SnO2와 ZnO 타겟을 이용하여 Co-Sputtering 방법을 이용하여 박막을 성장시켰다. 두 타겟의 플라즈마 파워 조절을 통해 조성변화를 시도하였으며 결과적으로 성장된 비정질 ZTO 박막 샘플들의 조성은 [Sn]/([Sn]+[Zn]) 기준으로 11at%, 29at%, 42at%, 54at%, 60at%이다. 비정질 ZTO 박막 샘플들을 600℃에서 RTA(Rapid Thermal Annealing)장비로 질소가스를 이용한 열처리를 통해 결정화 시켰다. 광학적 특성을 보기위해 Ellipsometry 장비를 사용하여 Ellipsometry 각 Ψ, Δ를 측정하였다. Tauc Plot 방법을 이용하여 Optical Gap Energy를 분석하였으며, point-by-point fitting 방법을 이용하여 Subgap State Peak를 분석하였으며 1.6eV와 2.8eV 부근에서 Subgap State Peak를 확인하였다. RTA 장비로 열처리 하는 과정에서 열처리에 이용되는 가스의 효과를 알아보기 위하여 혼합 산소가스(O2:10% N2:95%)와 혼합 수소가스(O2:5% H2:95%)를 이용해 400℃에서 열처리한 Sn:29at%와 Sn:54at% 조성의 ZTO 박막 샘플 시료를 분석하였으며 질소가스만이 Subgap State Peak의 Intensity감소에 효과가 있는 것을 확인하였다. 박막 성장과정에서 산소가 주입 된 ZTO 박막의 특성을 보기 위하여 산소를 주입하여 RF reactive magnetron sputtering으로 Sn:29at%와 Sn:54at% ZTO 박막 샘플을 상온에서 성장시켰고, RTA장비로 질소가스를 이용하여 400℃와 600℃에서 열처리 하여 분석하였으며 성장과정에서의 산소주입량이 증가할수록 전자 이동도 특성이 개선되는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We investigated the optical properties of amorphous and crystalline zinc tin oxide (ZTO) thin films grown on SiO2/Si substrates with varying compositions via a co-sputtering deposition method at room temperature. The co-sputtering targets consist of SnO2 and ZnO. By varying the relative power ratio of the two targets, we demonstrate the ability to control the Sn and Zn composition of the resulting ZTO thin films. The ratio of [Sn]/([Sn]+[Zn]) atomic compositions was estimated at
11%, 29%, 42%, 54%, and 60%. Using a 600oC annealing process, the as-grown amorphous ZTO films were transformed into crystalline ZTO films. The dielectric functions were obtained based on the measured ellipsometric angles, and . We determined the dielectric functions, absorption coefficients, and optical gap energies of ZTO thin films with varying compositions. The dielectric functions, absorption coefficients, and optical gap energies of amorphous and crystalline Zn2SnO4 thin films were obtained at 29 at.% of Sn. Subgap states at 1.6eV (A) and 2.8eV (B) of ZnSnO alloys and Zn2SnO4 films were found in the imaginary part of the dielectric function spectra. The subgap state intensities were reduced via a nitrogen gas annealing.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 2
• 2.1. 투명 산화물 반도체(Transparent Oxide Semiconductor) 2
• 2.1.1. 투명 산화물 반도체 물질의 종류 3
• 2.1.1.1. IGZO 3
• 2.1.1.2. ZnO 4
• 2.1.1.3. SnO2 4
• 2.1.1.4. ZTO 5
• 2.1.2. Transparent Thin Film Transistor(T-TFT) 활성채널 재료의 특성 평가방법 5
• 2.1.2.1. 광학적 특성 6
• 2.1.2.2. 전기적 특성 6
• 2.1.2.3. 식각특성 6
• 2.2. Spectroscopy Ellipsometry 7
• 2.2.1. Ellipsometry 7
• 2.2.1.1. Ellipsometry의 특징 8
• 2.2.1.2. 유전함수(Dielectric Function) 8
• 2.2.1.3. Ellipsometry각 (Ψ, Δ) 9
• 2.2.2. Modeling 10
• 2.2.2.1. Multi-layer Model 10
• 2.2.2.2. EMA(Effective Medium Approximation) 12
• 2.2.3. Optical Dispersion Model 14
• 2.2.3.1. Lorentz Harmonic Oscillator Model 15
• 2.2.3.2. Drude Model 16
• 2.2.3.3. Tauc - Lorentz Model 17
• 2.2.3.4. Parametric Semiconductor Model 18
• 3. 실험장비 및 방법 18
• 3.1. RF Reactive Magnetron Sputtering System. 19
• 3.2. X-Ray Diffraction (XRD) 19
• 3.3. Ellipsometry 20
• 4. 실험결과 및 분석 20
• 4.1. 시료제작 20
• 4.2. 조성변화에 따른 비정질 ZTO 박막의 특성 22
• 4.2.1. 구조적 특성 22
• 4.2.2. 광학적 특성 24
• 4.3. 조성변화에 따른 결정질 ZTO 박막의 특성 32
• 4.3.1. 구조적 특성 32
• 4.3.2. 광학적 특성 33
• 4.4. 열처리 가스 변화에 따른 ZTO 박막의 특성변화 33
• 4.4.1. 시료 제작 33
• 4.4.2. 광학적 특성 33
• 4.5. 산소 주입량에 따른 ZTO 박막의 특성 변화 35
• 4.5.1. 시료 제작 35
• 4.5.2. 광학적 특성 35
• 4.5.3. 전기적 특성 37
• 5. 결론 37
• 6. 참고문헌 39
• 7. Abstract 41