Zn 타겟 과 RF Magnetron Sputtering 으로 성장시킨 ZnO 박막 트랜지스터의 특성 연구

Abstract

논 문 요 약 Zinc oxide은 wurtzite구조의 II-VI 족 직접 밴드 갭 화합물 반도체이다. ZnO의 밴드 갭은 3.37eV이고, exciton binding energy는 60 meV이다. ZnO의 필름은 많은 응용 가능성을 가지고 있다. 예를 들면 발광 다이오드, 자외선 광 검출기, 압전 부품, 표면 및 체적 탄성파 장치 (SAW), 투명 전도성 필름 / 전극, 태양 전지, 가스 센서 등이 있다. 최근 상업적 이익 때문에 넓은 밴드 갭 화합물 반도체가 큰 주목을 받고 있다. 연구자와 과학자들이 ZnO의 연구와 개발을 하고 있다. Zinc oxide은 3.37 eV의 직접 밴드 갭 에너지를 가지고 있고 가시광선에 대해 투명하여 좋은 광 투과성을 가지고 있다. ZnO는 exciton binding energy가 약 60 meV으로 25 meV인 GaN에 비해서 높다. 높은 exciton binding energy 는 발광 효율을 향상시킨다. 단결정 ZnO는 실온에서 electron Hall mobility는 약 200 cm2V−1로 GaN보다 약간 낮지만, 높은 포화 속도를 갖는다. ZnO는 GaN보다 높은 방사선 저항력을 가지고 있기 때문에 우주 공간과 핵물리학 장비로 이용 가능성이 높다. Zinc oxide은 상대적으로 낮은 온도에서 유리와 같은 저렴한 기판 상에 성장시킬 수 있다. 유리 기판에 만들어지는 평판 디스플레이에서 신호처리 회로에는 비정질 실리콘 박막이 많이 사용되고 있다. 최근 디스플레이 기술에서 비정질 실리콘을 대체 할 새로운 재료를 필요로 하고, ZnO는 이를 대신 할 좋은 후보이다. Ar/O2가스에서 스퍼터링 성장한 ZnO 박막 필름 트랜지스터(TFT)는 다른 방법으로 성장 된 ZnO TFT들에 비해 낮은 turn-off 특성을 보인다. Turn-off 특성을 개선하기 위해 이 실험에서는 450℃에서 Ar/CO2가스 분위기에서 ZnO target을 사용하였고, 스퍼터링 방법으로 성장하였다. CO2의 탄소는 n 형 도펀트로 작용할 것으로 기대한다. 스퍼터링으로 박막을 성장하는 동안 우리는 기판의 DC 바이어스 변조를 통해 기판으로 도달하는 이온들을 조절한다. 스퍼터링 된 ZnO-TFT는 CO2와 O2 가스 분위기에서 어닐링 하였다. 이러한 방법으로 만든 bottom-gate ZnO-TFT는 4.7cm2 /Vsec의 전자이동도, 4 x106 on/off ratio 및 -2 V의 문턱전압을 보여준다. ZnO는 대게 세라믹 ZnO 타겟을 사용한 스퍼터링으로 성장된다. 그러나 세라믹 타겟은 금속 타겟보다 고가이고, 넓은 크기의 타겟을 만드는 것이 매우 어렵다. 그래서 우리는 Zn 금속 타겟 및 CO2를 이용한 RF 스퍼터링 법으로 성장 된 ZnO 박막 트랜지스터의 특성을 연구하였다. -70 ​​V 기판 바이어스 전압과 450 ℃의 기판 온도에서 ZnO-TFT를 성장시킨다. 이러한 방법으로 우리의 ZnO TFT는 5.2 cm2 / Vsec 전자이동도, 3x106 on-off ratio 및 -7V의 문턱전압을 보여준다.