RF magnetron co-sputtering 방법을 이용한 다결정 MgZnO/ZnO 박막 트랜지스터의 연구

Abstract

최근 ZnO 기반의 트랜지스터 연구가 활발히 진행이 되고 있다. 이와 같은 이유는 저온 성장된 박막임에도 불구하고 1 cm2/Vs 이상의 높은 이동도를 가지며, 가시광영역에서 높은 광 투과성을 가지기 때문에 고성능의 투명전자소자 개발을 가능하게 한다. ZnO 물질은 박막형 트랜지스터, 발광소자, 투명전극, 수광소자, 가스센서, 태양전지 등 다양한 분양에 적용 가능하다. 다양한 활용이 가능한 이유는 ZnO가 가지는 우수한 물성 때문이다. ZnO 는 3.37 eV 의 광밴드갭을 가지기 때문에 가시광영역에서 투명하다. 또한 Mg이 ZnO에 합금될 경우 광밴드갭이 늘어나기 때문에 UV 영역까지 발광소자 및 수광소자로써 활용이 가능하다. 또한 상온에서 60 meV의 여기자 결합에너지를 가지고 있으며, 직접천이형 밴드갭이기 때문에 발광소자에 큰 각광을 받는 물질이다. 또한 박막형 트랜지스터에도 많은 연구가 진행이 되고 있다. 박막형 트랜지스터는 기존의 비정질 실리콘 기반의 디스플레이의 백플레인 소자를 대체하기 위한 연구가 활발히 진행이 되고 있다. 평판형 디스플레이는 대면적화 고해상도, 뿐만 아니라 빠른 주파수를 요구함에 따라 기존의 비정질실리콘의 이동도로는 한계에 도달하게 되었다. 이를 해결하기 위해 LTPS (low-temperature polycrystalline silicon)이 필요로 하나 레이저 열처리등의 후속 공정이 필요로 하게 되어 공정단가가 상승하며, 대면적화에 문제가 제기되고 있기 때문이다. 하지만 ZnO 박막은 저온 성장한 박막임에도 불구하고 기존의 비정질 실리콘의 이동도를 넘으며, 공정단가 또한 LTPS 공정보다 저렴하며, 기존의 비정질 실리콘공정 기반시설을 이용할 수 있기 때문에 산화물 기반의 트랜지스터를 디스플레이의 백플레인용 소자를 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 ZnO 기반의 전자소자를 구현하기 위해서는 금속과 반도체 특성에 대한연구, 반도체 물질의 구조적 및 조성에 대한 연구, 또한 절연체에 대한 연구가 필요로 하다. 또한 ZnO 기반의 트랜지스터를 스위칭 소자로 활용하는 방법에는 MISFET (metal-insulator-semiconductor field effect transistor) 으로 구현 가능하다. 이와 같은 박막형 트랜지스터를 디스플레이의 백플레인 소자로 활용하기 위해서는 높은 이동도, 낮은 subthreshold swing, 해상력을 향상시키기 위한 높은 ON전류 및 전력소모를 줄이기 위한 낮은 OFF전류를 가지는 소자가 요구된다. MISFET 소자의 경우 절연체층이 필요로 하다. 절연체층의 특성요구 조건으로는 낮은 전압에서 작동가능하기 위해 높은 유전율 상수를 가져야 하며, 또한 낮은 누설전류를 가지며 피로파괴전압에 높은 저항성을 가지는 물질특성이 요구 된다. 또한 반도체에 캐리어를 주입하기 위해서는 오믹접합 특성이 필요로 하다. 반도체 층 물질로써는 ZnO에 Mg이 첨가될 경우 밴드갭 증가 및 자유전자의 캐리어를 감소시킨다. MgZnO의 경우 ZnO 기반의 산화물반도체에서 발생할 수 있는 산소공공에 의해 야기되는 소자의 불안정성을 해결할 수 있는데 이와 같은 이유는 Zn-O 결합 보다 Mg-O 결합에너지가 더 강하기 때문에 산소공공과 같은 결함 생성을 줄일 수 있다. 또한 ZnO 와 MgZnO 의 이종접합시에는 접합 경계면에 높은 전자 밀도를 형성이 가능하여 빠른 전자이동도를 얻을 수 있기 때문에 전자소자의 성능 향상을 가져 올 수 있다.

본 논문에서는 ZnO 와 MgxZn1-xO를 이용한 박막형 트랜지스터에 대해서 연구 하였다. Mg0.3Zn0.7O와 오믹접합을 얻기 Ni/Au 와 Ti/Au 물질을 사용하여 Mg0.3Zn0.7O 박막과 오믹접합을 확인하였으며 97.6 Ω·cm2 의 접촉비저항을 얻었다.

ZnO 박막에 Mg 합금 비율이 1 과 10 at.% 박막을 증착하여 MgxZn1-xO 단일 채널을 가지는 박막형 트랜지스터를 제작하였으며, MgxZn1-xO-TFT 의 소자 평가가 이루어 졌다. Mg 첨가량이 증가함에 따라 MgxZn1-xO-TFT의 이동도는 감소하였으며, SS 값도 ZnO에 비해 증가하였다.

ZnO와 MgxZn1-xO 이종접합 박막형 트랜지스터가 제작하였으며, ZnO 박막의 두께에 따른 소자 평가가 이루어졌다. MgxZn1-xO/ZnO TFT는 ZnO-TFT 보다 빠른 이동도를 가지며, 낮은 SS 값을 가지는 트랜지스터의 제작이 가능하였다. MgxZn1-xO/ZnO TFT에서 ZnO 박막의 두께는 ~10 nm 일 때 가장 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다. 또한 ZnO, MgxZn1-xO, MgxZn1-xO/ZnO TFT의 게이트 바이어스 스트레스 측정 및 히스테리시스 측정을 통해 소자의 신뢰성을 평가 하였다. MgxZn1-xO/ZnO TFT 이종접합으로 제작된 트랜지스터는 게이트 바이어스 스트레스 실험에서 ZnO 소자보다 낮은 전류 이동특성 및 낮은 히스테리시스 폭을 보이는 것을 확인하였다.

마지막으로 MgO박막을 절연체로 하는 ZnO 트랜지스터를 제작 하였다. MgO 경우 9.8의 유전체 상수를 가지기 때문에 저 전력의 소자로 기대할 수 있다. MgO 경우 증착 중 산소분위기 비율을 달리 하여 증착하였으며, 산소 분위기가 증가함에 따라 유전체 상수가 11.35 까지 증가하는 것을 확인 하였다.