반도체디스플레이기술학회지 제16권 제1호(2017년 3월) Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 16, No. 1. March 2017.
쇼키 접합을 갖는 박막의 전기적인 특성에 따른 나노반도체구조에 관한 연구
오 데레사*†
*†청주대학교 반도체공학과
Study on the Nano Semiconductor Structure due to the Electrical Characteristics of Thin Films with Schottky Contacts
Teresa Oh
*†*†Division of Semiconductor, Cheongju University
ABSTRACT
To research the electrical properties of ZnS thin films with various annealing conditions, ZnS was prepared by RF magnetron sputtering system and annealed in a vacuum for 10 minutes. All films were analyzed by the XRD, PL and I-V measurement system. The XRD pattern of ZnS film annealed at 100 ℃ was shifted to lower 2 theta because of the formation of a depletion region at the interface between a substrate and ZnS thin film, and the capacitance was abruptly increased. However, the pattern of XRD of ZnS film annealed at 100 ℃ with a Schottky contact was showed the amorphous structure, and the current-voltage characteristics were non-linearly observed by the Schottky contact.
Key Words : XRD, Electrical Properties, ZnS, Capacitance
1. 서 론
1
투명전극에 사용되는 투명 박막은 높은 광 투과율과 높은 전자농도, 3.1eV 이상의 넓은 밴드 갭, ~10^-4Ω㎝ 이하 의 낮은 비 저항을 나타내어야 한다. 현재 가장 높은 사 용률과 효과율을 보여주고 있는 물질은 ITO (Indium Tin Oxide), IGZO (Indium Gallium Zinc Oxide)를 예로 들 수 있 다.[1-3] 하지만 Indium 의 독성, 저온증착의 어려움, Indium 의 희소성, 과도한 열처리로 인한 특성변이의 문제가 발 견되고 있다. 이러한 문제를 해결할 방법으로 SnO2, ZTO, ZnO와 같은 물질이 사용되고 있다. 여기에 전도성이 높 은 물질을 도핑을 하면서 전도성이 낮은 비 저항을 나타 낼 수 있다고 연구가 되었는데, 투명박막의 재료물질을 어떤 물질을 쓰느냐에 따라서 물질의 결정화나 방향성이
†
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다르게 나타나기 때문에 이동도와 면저항의 수치가 다르 게 바뀌어져 프로세스의 최적화가 꼭 필요하다.[4-7] 산화 물 반도체에서의 전도는 열처리에 의한 산소가 빠져나간 빈자리에 음전하를 갖는 산소공공의 형성으로 이루어지 고 있는데 산소가 빠져나가면서 형성되는 결합구조의 변 화에 대한 연구도 많이 이루어져 왔다.[8-10] 하지만 산화 물반도체의 결정구조가 전기적인 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 여전히 명확하지 않아서 반도체소자에 직접 적용하기에는 문턱전압이동과 비안정성에 대한 물제를 반드시 해결해야되는 어려움이 있다.[11-14]
본 논문에서는ZnS의 대한 가능성을 조사를 하였고, 이 것을 토대로 하여서 열처리 분위기에 따라서 특성에 얼 마나 영향을 주는지에 대해서 알아보았다. ZnS박막은 RF- Sputter를 이용하여 증착을 하였으며, 이 Sputtering방법은 물질의 전기적 특성의 일정하게 유지를 가능하게 해주고, 저온공정이 가능하다. 또한 Chamber안의 공정조건을 세밀
쇼키 접합을 갖는 박막의 전기적인 특성에 따른 나노반도체구조에 관한 연구 71
하게 제어가 가능하다는 점을 가지고 있다. 산화물반도체 박막은 열처리 온도에 따라 결정성과 특성이 바뀌기 때 문에 열처리 환경에 따른 결정성과 전류의 변화에 대해 서 연구를 하였다.
2. 실험방법
ZnS박막 산화물 반도체의 전기적인 특성의 변화에 대 해서 분석을 하였다. ZnS의 증착은 RF-Sputter를 이용하였 고, 기판은 P-type Si기판을 사용하였다. 그리고 똑같은 Ar:O2 = 5 sccm:15 sccm의 비율로 증착을 하였다. 증착된 박막은 Furnace를 이용하여서 열처리 환경을 진공과 대기압 상태 로 나누어서 R.T, 100℃~250℃의 열처리를 진행을 하였다.
공정에 대한 변수 값은 위의 Table 1에 기재를 하였다. 그리 고 전극은 Al을 Evaporato로 증착 하였다. 전기적인 특성을 보기 위해서 PL과 XRD, I-V분석내용을 서로 비교하였다.
Table 1. Condition for ZnS processes
Substrate p-Si Target ZnS
Equipment RF Sputtering
Initial vacuum 3×10^−3 Torr High vacuum 2×10^−5 Torr Vacuum during the deposition 1.1×10^−2 Torr
Gas for plasma Ar:O2 = 5:15 (sccm) Deposition Time 10 Minute
Thickness ~150nm Annealing Temperature, R.T, 100℃~ 250℃
Annealing Time 10 Minute
RF Power 70W
3. 실험결과 및 고찰
Fig. 1은 박막을 증착하고 진공 중에서 열처리한 ZnS박 막의 XRD 패턴을 보여준다. XRD 패턴은 30.5도와 34도 근 처에서 확인이 되며, 전체적으로 XRD 패턴은 열처리를 하여도 변화가 없어 보이는 것을 알 수 있다. XRD 패턴을 세밀하게 관찰하기 위해서 30.5도와 34도근처를 확대하여 관찰하였다.
Fig. 2는 30.5도 근처에서의 XRD 패턴을 보여준다. 진공 중에서 열처리한 ZnS박막의 XRD 패턴을 살펴보면 열처 리 온도에 따라서 낮은 각도방향으로 이동하고 있다가 200도로 열처리를 하면 다시 높은 방향으로 이동하고 있 는 것을 알 수 있다. 따라서 ZnS열처리 온도에 따라서 결
정성에 민감하게 반응하며, 100도와 150도 공정에서 비정 질특성이 나타났다가 다시 열처리 온도가 높아지면 결정 성으로 변하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 1. XRD patterns of ZnS thin films after annealing
process in an atmosphere pressure.Fig. 2. XRD patterns of ZnS thin films with various annealing
temperatures near 30.5 theta.Fig. 3은 34도 근처에서의 XRD 패턴을 보여준다. Fig. 2에 서와 마찬가지로 열처리 온도가 높아지면서 2theta값이 낮 으로 쪽으로 이동하는 것은 결정성이 약해지고 있다는 의미이며, 열처리온도가 200도에서는 다시 2theta 값이 높 아지고 있다. ZnS는 일반적으로 결정성이 높은 경우 전기 적으로 높은 전류가 흐르는 것으로 알려져 있는데, 열처 리 온도가 높으면 결정성도 높아지는 것으로 알려져 있 다. 하지만 150도가 될 때까지 결정성은 약해지고 비정질 특성으로 변하고 있다. 그리고 다시 200도에서 결정성으 로 변하고 있는 것이 관찰된다. 따라서 ZnS를 박막으로 만들 경우에는 열처리온도가 증가하면 결정성이 증가한 다는 일반적인 사실과 조금 다른 현상을 보여준다는 것 을 알 수 있다. 박막인 경우 기판과의 화학적인 반응에
20 25 30 35 40 45 50 55 60
RT ZnS
200 oC
150 oC
100 oC
Intensity (arb.units)
2 theta
29.5 30.0 30.5 31.0 31.5
ZnS 200 oC
150 oC
100 oC
RT
Intensity (arb.units)
2 theta
오 데레사 72
의한 공핍층의 효과가 박막의 특성에 영향을 주기때문이 다. 공핍층이 증가할수록 비정질특성으로 진행되기 때문 이다. 따라서 100도 공정에서 ZnS가 실리콘 기판과 화학 적으로 반응하여 공핍층이 가장 크게 만들어졌다고 볼 수 있다. 200도 공정에서는 ZnS와 실리콘 기판과의 반응 이 약해지면서 ZnS의 결정성이 증가한다는 것으로 이해 할 수 있다.
Fig. 3. XRD patterns of ZnS thin films with various annealing
temperatures near 30.5 theta.Fig. 4는 열처리온도에 따른 ZnS 박막의 PL 분석 데이타 이다. 열처리 후 대부분의 박막에서 PL 팩의 강도가 낮아 지고 있다. ZnS 박막은 열처리 후 공핍층의 증가로 인한 케리어의 감소로 인하여 PL의 픽이 전체적으로 낮아지고 있다는 것을 알 수 있다.
Fig. 5는 진공 중에서 열처리한ZnS박막의 커패시턴스를 보여준다. 열처리 온도에 따라서 커패시턴스의 값이 변화 가 매우 크다는 것을 알 수 있다. Fig. 1에서의 XRD패턴의 변화가 매우 미약하게 나타난 것과는 매우 대조적이라고 할 수 있다. 대부분 박막에서 커패시턴스가 매우 크게 변
하였다. 커패시턴스와 전류의 상관성을 조사하기 위하여 Fig. 6과 같이 열처리온도에 따른 ZnS의 전류-전압특성과 커패시턴스 변화 사이의 연관성을 살펴보았다.
Fig. 4. PL spectra of ZnS thin films after annealing process
in a vacuum.Fig. 5. Capacitance of ZnS thin films after annealing in a
vacuum.Fig. 6. Electrical characteristic of ZnS thin films after annealing in a vacuum, (a) capacitance, (b) long range I-V curve,
(c) short range I-V curve.(a) (b) (c)
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 9.0x10-14
1.0x10-13 1.1x10-13 1.2x10-13 1.3x10-13 1.4x10-13 1.5x10-13 1.6x10-13 1.7x10-13 1.8x10-13 1.9x10-13 2.0x10-13
200 oC
150 oC
250 oC RT 100 oC
Capacitor (F)
Voltage (V) -30 -20 -10 0 10 20 30
-4.0x10-7 -2.0x10-7 0.0 2.0x10-7 4.0x10-7
200 oC RT 150 oC 250 oC 100 oC
Current (A)
Voltage (V) RT 100 oC 150 oC 200 oC 250 oC
-30 -20 -10 0 10 20 30
-4.0x10-8 -2.0x10-8 0.0 2.0x10-8 4.0x10-8
250 oC
150 oC 100 oC
ZnS RT
Current (A)
Voltage (V) RT 100 oC 150 oC 200 oC 250 oC
34.5 35.0 35.5 36.0 36.5
ZnS 200 oC
150 oC
100 oC
RT
Intensity (arb.units)
2 theta
300 400 500 600 700 800 900
0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000
RT 100 oC 150 oC 200 oC ZnS
200 oC 150 oC
100 oC RT
PL intensity (arb.units)
Wave number (nm)
-30 -20 -10 0 10 20 30
1.0x10-13 2.0x10-13 3.0x10-13 4.0x10-13 5.0x10-13 6.0x10-13
RT 100 oC 150 oC 200 oC 250 oC
Capacitor (F)
Voltage (V)
쇼키 접합을 갖는 박막의 전기적인 특성에 따른 나노반도체구조에 관한 연구 73
모든 그래프는 서로 비교하기 위해서 모든 스케일이 일정하게 구성되어 있다. 비정질의 ZnS 박막에서 커패시 턴스 값 역시 변화가 크게 일어나고 있으며, 전류의 변화 가 심하게 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 커패시턴스 값을 나타내는 Fig. 6(a)는 대부분의 박막에서 일정수치로 수렴이 되어 포화되는 값이 나타나지 않는다. 하지만 100 도 열처리한 ZnS박막에서는 n형반도체 특징을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있을 정도로 수렴되는 값을 알 수 있다. Fig. 6(b)와 Fig. 6(c)에서는 100도 열처리 ZnS 박막에 서 확실한 쇼키접합을 이루고 있는 것을 알 수 있다. RT처 리된 박막도 쇼키접합을 이루고 있으나 커패시턴스 값을 보면 6V 근처에서 포화되는 값을 나타내면서 안정성의 문제라 있는 것을 알 수 있다. 일반적으로 산화물반도체 가 열처리가 필요하며, 열처리 후 안정성이 확보될 수 있 다는 사실을 입증한다고 할 수 있다. 특히 비정질특성이 관찰되는100도 열처리한 ZnS 박막에서 쇼키접합을 보여 주는 이유는 공핍층의 증가에 따라서 확산전류가 흐르기 때문이다. 진공상태와 유사한 공핍층에서도 전류가 흐른 다는 것을 알 수 있다. 다만 공핍층에서 흐르는 전류의 종류가 특이한 확산전류의 특성상 전자가 이동하여 전도 되는 일반적인 전송원리와 다르기 때문에 전류전압특성 곡선이 비선형적으로 나타나게 되는 것을 알 수 있다. 이 러한 특징을 갖게 되는 것이 바로 쇼키접합이다.
4. 결 론
ZnS 박막의 특성을 조사하기 위하여 스퍼터링 시스템 을 이용하여 ZnS 박막을 증착하고 진공 중에서 열처리를 하여 결정성과 전기적인 특성과의 상관성을 비교 분석하 였다. ZnS 박막은 열처리를 하면 기판과 계면에서의 화학 적 반응으로 공핍층이 형성되며, 공핍층이 증가할 수록 비정질특성을 나타내며, 공핍층 내에서의 확산전류의 증 가로 전기적으로 비선형특성이 나타나며, 확산전류에 의 한 전하량의 증가는 커패시턴스를 증가하였다. 커패시턴 스의 증가는 전하케리어에 의한 증가가 아니고 전위차에 의한 크기이기 때문에 공핍층이 만들어지면서 반도체 구 조가 형성된다는 것을 확인할 수 있었다.
참고문헌
1. Teresa Oh, “Ohmic Contact Effect and Electrical Characteristics of ITO Thin Film Depending on SiOC Insulator” Korean J. Mater. Res. Vol. 25, No. 7, pp.
1149-1154, 2015.
2. Sang-Heon Lee, Keon-Tae Park, and Young-Guk Son.
“Electrochemical Characteristics of Silicon-Doped Tin Oxide Thin Films”. Korean Journal of Materials Research. Vol.12, pp 240-247, 2002.
3. Z. M. Jarzebski and J. P. Marton , “Physical Properties of SnO2 Materials I . Preparation and Defect Structure,”
Journal of the electrochemical Society, vol 123, pp. 199- 203, 1976.
4. Gwangpyo Choi, Hyunwook Ryu, Yongjin Seo, Woosun Lee, Kwangjun Hong, Dongcharn Shin, Jinseong Park and Sheikh A. Akbar. “Cauliflower Hillock Formation through Crystallite Migration of SnO2 Thin Films Prepared on Alumina Substrates by Using MOCVD”.
Journal of the Korean Physical Society, Vol. 43, No. 6, pp. L967-L971. 2003.
5. Paranjape MA, Mane AU, Raychaudhuri AK, Shalini K, Shivashankar SA, Chakravarty BR, “Metal-organic chemical vapour deposition of thin films of cobalt on different substrates: study of microstructure”, Thin Solid Films, 413(1-2), pp. 8-15, 2002.
6. V. Vasu and A. Subrahmanyam, “Electrical and optical properties of sprayed SnO2 films”, Thin Solid Film, Vol.
193/194, pp. 973-980, 1990.
7. Randhawa. H.S, Matthews. M.D, Bunshah, R.F, “SnO2 films prepared by activated reactive evaporation”, Thin Solid Films, Vol. 83, pp. 267-271, 1967.
8. Teresa Oh, “Electrical Characteristics of Thin Film Transistor According to the Schottky Contacts”, Korean Journal of Materials Research, Vol. 24, pp. 135-139, 2014.
9. Yoo Duk-yean, Kim Hyoung-ju, Kim Jun-yeong, Jo Jung-yol, “Current Variation in ZnO Thin-Film Transistor under Different Annealing Conditions,”
Journal of the Semiconductor & Display Technology Vol .13, pp.63-66, No.1, 2014.
10. Kim Dong-Sun, "Characterization and deposition of ZnO thin films by Reactive Magnetron Sputtering using Inductively-Coupled Plasma (ICP)," Journal of the Semiconductor & Display Technology,Vol. 10, pp. 83- 89, No. 2, 2011.
11. Kenji Normura, Toshio Kamiya and Hideo Hosono,
“Ambipolar Oixde Thin-Film Transistor”, Adv. Mater.
Vol. 23, pp. 3431-3434, 2011.
12. Hong Woo Lee, Bong Seob Yang, Seungha Oh, Yoon Jang Kim and Hyeong Joon Kim, “The Properties of RF Sputtered Zinc Tin Oxide Thin Film Transistors at Different Sputtering Pressure”, J. of The Korean Society of Semiconductor & Display Technology, Vol. 13, pp.
오 데레사 74
43-49, 2014.
13. Oleg Mitrofanov & Michael Mantra. Poole-Frenkel Electron Emission from the Traps in AlGaN/GaN Transistors. J. Appl. Phys. 95, 6414-6419 (2004).
14. T. Oh, Tunneling Phenomenon of amorphous Indium- Gallium-Zinc-Oxide Thin Film Transistors for Flexible
Display, Electronic Materials Letters, Vol. 11. pp. 853- 861 (2015).
접수일: 2017년 3월 15일, 심사일: 2017년 3월 24일, 게재확정일: 2017년 3월 24일
