MOCVD를 이용한 ZnO thin-film transistor의 특성 연구

Alternative Title
CHOI, Hyo shik
Alternative Author(s)
CHOI, Hyo shik
일반대학원 전자공학과
The Graduate School, Ajou University
Publication Year
산화물 반도체 ZnO는 3.4eV의 넓은 에너지 밴드갭과 실온에서 60meV의 큰 exciton 결합에너지를 갖는 직접 천이형 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체이다. GaN와 같은 Wurtzeit 결정 구조이며 격자 부정합도가 2.2% 정도에 불과하여 계면에서의 결함밀도를 줄 일 수 있으며 큰 exciton binding energy는 고효율의 발광이 가능하여 LED,LD 제조에서 큰 주목을 받고 있다. 또한 박막 트랜지스터로 ZnO를 사용하는 경우 넓은 에너지 밴드 갭을 가지고 있기 때문에 가시광 노출에도 그 특성이 저하되지 않아 보호막이 필요 없게 되어 TFT 구조가 간단해지며 높은 채널 이동도로 인해 drive current가 높아 더 빠른 소자의 동작 속도를 얻을 수 있다. 투명한 산화물 반도체의 사용으로 픽셀의 개구율이 향상되므로 빛의 발광 및 빛의 효율을 높여주어 전력소모를 줄일 수 있으며 공기, 습도 등에 대한 안전성이 뛰어나며 습식 식각이 가능한 장점이 있다. 이러한 특성을 바탕으로 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)를 이용하여 ZnO-TFT를 제작하였다. ZnO 박막의 성질은 SEM, XRD, PL, FE-SEM, SIMS의 측정을 통하여 관찰하였다. 성장 온도가 높을 수 록 박막의 질은 향상되었으나 TFT를 제작하여 mobility, on/off ratio를 측정한 결과 저온에서 성장한 박막이 더 좋은 결과를 보였다. SIMS의 측정 결과를 통해 수소의 농도가 영향을 미치는 것을 확인하였다. 수소가 defect passivation을 하여 mobility와 on/off ratio가 향상되었으며 이에 따라 MOCVD 성장 중 수소를 주입하여 얻은 박막의 특성을 측정한 결과 mobility와 on/off ratio가 향상되는 결과를 얻었다. 따라서 ZnO-TFT의 mobility, on/off ratio는 ZnO 박막에 포함된 수소의 농도에 따라 높은 mobility와 on/off ratio를 얻을 수 있다는 결론을 얻었으며 이는 성장 온도 및 조건 그리고 수소 가스의 주입으로 그 특성을 향상 시킬 수 있다.
Alternative Abstract
Zinc oxide(ZnO) has attracted considerable attention as a promising wide-gap semiconductor for utilization in display and optoelectronic devices. Optical transparency and high mobility at amorphous state are advantages of ZnO over other semiconductor materials. Various growth methods, such as molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, pulsed-laser deposition (PLD), and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), have been used. Among these, MOCVD has advantages for industry, since it can be applied to large-size substrates more easily. The problem associated with MOCVD is that gas concentration in ZnO is higher than in ZnO grown by other methods. The purpose of our study is to realize high quality ZnO thin-film transistor by MOCVD. Since a ZnO semiconductor is transparent in the visible and there for less light sensitive. ZnO-TFT(thin film transistor) characteristics is stable from air because it is already oxidized and has fast on/off ratio due to high channel mobility. One of the main advantages exhibited by these transistors lies on the magnitude of the electron channel mobility leading to higher drive currents and faster device operating speeds. We used metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) to grow ZnO. ZnO-TFT was fabricated by evaporating Al through shadow masks. Measurements of secondary ion mass spectroscopy (SIMS), x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and photoluminescence (PL) showed reasonable film quality. They showed that crystal quality improves as growth temperature is increased from 200oC to 500oC. SIMS results show that our ZnO films have significant amount of C and H, even without the additional H2. More C and H were incorporated into the film at lower growth temperature. Current-voltage data of ZnO-TFT grown at 250℃ showed 12 ㎠/V·sec mobility and 10^(7) on/off ratio, with -5V threshold voltage. Without H₂ flow,on/off ratio of our TFT was very poor. Our results give some answer for the role of hydrogen. In our case, we observed that higher hydrogen concentration at low growth temperature improves mobility. This result is in contradiction with general case where higher growth temperature improves mobility. Our result suggests that in MOCVD grown ZnO, crystal quality is not a main factor in determining TFT characteristics. The higher mobility in 250℃ grown sample is due to defect passivation by the higher hydrogen concentration.

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Graduate School of Ajou University > Department of Electronic Engineering > 3. Theses(Master)
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