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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.25 No.7 pp.347-351
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.7.347

Analysis of Electrical Characteristics of Oxide Semiconductor of ZnO, SnO2 and ZTO

Teresa Oh†
Department of Semiconductor Engineering, Cheongju University, Cheongju, Korea
Corresponding author teresa@cju.ac.kr(T. Oh, Cheongju Univ.)
May 19, 2015 June 25, 2015 July 2, 2015

Abstract

To study the characteristics of ZTO, which is made using a target mixed ZnO:SnO2= 1:1, the ZnO and SnO2 were analyzed using PL, XRD patterns, and electrical properties. Resulting characteristics were compared with the electrical characteristics of ZnO, SnO2, and ZTO. The electrical characteristics of ZTO were found to improve with increasing of the annealing temperature due to the high degree of crystal structures at high temperature. The crystal structure of SnO2 was also found to increase with increasing temperatures. So, the structure of ZTO was found to be affected by the annealing temperature and the molecules of SnO2; the optical property of ZTO was similar to that of ZnO. Among the ZTO films, ZTO annealed at the highest temperature showed the highest capacitance and Schottky contact.


ZnO, SnO2, ZTO 산화물반도체의 전기적인 특성 분석

오 데레사†
청주대학교 반도체공학과

초록


    1.서 론

    산화물반도체는 넓은 에너지 밴드갭(3.37 eV)을 85~95 % 정도의 가시광선 투과성을 지니고 화학적으로 안정하 여 산화와 부식에 강하다. 물리적 특성이 우수하여 흠 집에 대해 강한 내성이 있다. 산화물반도체는 인듐(In) 또 는 갈륨(Ga)을 함유하고 있지 않아 독성이 없고, 가격 이 저렴하다. 박막 증착 시 비교적 매끄러운 표면을 형 성하는 경향을 나타내며, 높은 열처리 온도에도 비정질 상태를 유지하여 유연성을 요구하는 광전 소자용 투명 전극으로 응용 가능하여 많은 연구자들 주목을 받아온 반도체소자 재료 물질이다. 투명전극은 얇고 투명해서 유 연할 수 있어서 투명디스플레이, 태양전지, 투명전자피부 등 투명전극의 용도는 다양하다. 가장 많이 사용되는 투 명전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)는 인듐의 독성, 가 격이 높아서 이를 대신할 수 있는 ZnO 산화물 반도체 에 대한 연구가 많이 이루어져 왔다.1-4) 일반적으로 산 화물반도체는 열처리를 하게 되면 물성이 좋아지는 특 성이 있는 것으로 알려져 있다. ZnO 물질이 기본인 산 화물반도체은 Al, In, Ga, Cu, Si 등의 불순물을 넣어서 도핑 케리어들에 의하여 전도성을 가지며, 전자의 이동 도를 높이고 격자틈새 Zn 이온(Zni2+)이나 산소 빈자리 이온(VO2+) 등과 같은 자연적인 도너 이온에 의한 전도 성을 바탕으로 전류가 형성된다. 케리어들에 의한 고이 동도를 위해서는 기판과 산화물반도체 물질 계면에서의 면저항을 줄이고 결정의 불일치성을 최소한 줄여야 한 다. 일반적인 ZnO 반도체는 n형으로 알려져 있으나 나 노와이어 ZnO 트랜지스터에서 p형의 전달특성이 만들어 진다는 보고가 있다.5) 또한 SnO2 박막에서도 불순물도 핑에 따라서 p형의 전달특성이 관찰되고 있다.6) ZTO박 막을 증착하기 위한 ZTO 타겟은 ZnO성분과 SnO2 성 분을 1:1 비율로 조합하여 만들어지므로 ZnO와 SnO2 의 물성에 의존하게 된다. ZTO 트랜지스터가 열처리를 하 면 전달특성과 안정성이 향상되며, 두께가 얇을수록 트 래핑효과에 의하여 전기적인 특성이 향상되었다는 연구 보고가 있다.7) ZTO 박막은 인듐을 포함하고 있지 않아 서 낮은 가격으로 제조가능한 장점이 있을 수 있다. ZTO 산화물반도체의 특성을 이해하기 위해서 기판과 반도체 계면의 특성이 중요하며, 전위장벽의 높이는 계면의 전 기적인 특성이 결정하며, 장벽의 높이가 높을수록 쇼키 접합이 이루어지고 장벽의 높이가 낮으면 오믹접합에 의 한 전류가 증가하는 특성을 나타낸다.8-13) 기존에 산화물 반도체에 대한 많은 연구 논문들이 있으나 ZTO 박막의 특성이 SnO2와 ZnO 박막들과의 상관성에 대하여 연구 한 논문은 없으며, 화합물반도체로서의 ZTO에 대한 이 러한 연구는 새로운 산화물반도체의 증착과 합성방법에 대한 이해를 높일 수 있다.

    본 연구에서 ZTO를 구성하는 ZnO과 SnO2성분의 기 능성에 대하여 조사하였다. ZTO 박막의 전기적인 특성 을 이해하기 위하여 ZnO 박막과 SnO2 박막을 광학적 물 리적 전기적인 특성을 열처리 온도에 따라서 분석하고 ZTO 박막의 특성과 비교하여 ZTO 박막의 특성에 어떤 영향을 주는지에 대하여 알아보았다. ZnO, SnO2와 ZTO 박막은 스퍼터링 방법으로 증착하였으며, 스퍼터링 방법 은 전기적으로 특성이 우수하고 저온공정이 가능하고 타 겟을 사용하여 공정조건을 세밀하게 제어할 수 있는 장 점이 있다. 여러 논문에서 보듯이 산화물 반도체 박막 은 열처리를 하게 되면 결정성이 변하고 따라서 전기적 인 특성도 변하기 때문에3,4,6,13) 적절한 열처리 공정 온 도를 찾기 위하여 미세전류에 대한 전기적인 특성을 조 사하였다.Table .11

    2.실험 방법

    ZnO와 SnO2 산화물반도체가 ZTO 반도체의 전기적인 특성 변화에 미치는 효과를 알아보기 위해서 XRD, PL, 커패시턴스 값을 비교 분석하였으며, 열처리 효과에 따 른 변화 역시 조사하였다. ZnO, SnO2와 ZTO의 산화물 반도체를 증착하기 위하여 저항이 8 Ω(옴)인 ITO 유리 기판 위에 ZnO, SnO2와 ZTO의 타겟을 이용하여 산소 20 sccm을 이용하여 플라즈마 상태를 조성하고 스퍼터 방법에 의해서 증착하였다. 증착된 박막은 진공 챔버에 서 100 °C와 200 °C에서 열처리 하였으며, 전기적인 특 성을 조사하기 위해서 Al 전극을 이용하여 Al/산화물반 도체/ITO 글래스 구조를 구성하여, I-V 특성과 C-V 특 성을 측정하여 반도체 계면특성에 대하여 조사하고 ZnO 와 SnO2이 ZTO 박막과의 상관성에 대하여 조사하였다.

    3.결과 및 고찰

    Fig. 1은 결정성을 분석하기 위해서 각각의 산화물반 도체 ZnO, SnO2와 ZTO에 대하여 증착 후 열처리를 하 고 XRD 패턴분석을 하였다. 산화물반도체는 공통적으로 33.5도 영역에서 픽이 나타나고 있다. Fig. 1(a)는 ZnO 박막은 증착한 경우 결정성이 나타났으며, 열처리를 하 면 산소공공이 발생하면서 비정질특성으로 변하는 것을 알 수 있다. Fig. 1(b)의 SnO2박막은 모든 샘플에서 결 정성이 나타났으며, 100 °C 열처리한 샘플에서 결정성이 가장 높았으며, 200 °C 열처리를 하게 되면 산소공공이 발생하면서 결정성이 떨어졌다. Fig. 1(c)의 ZTO의 박막 은 증착하였을 때는 픽이 나타나지 않았다가 열처리를 하면서 결정화되었으며, 열처리 온도가 높을수록 결정성 이 높았다. 따라서 ZTO의 결정성에 영향을 미치는 것 은 SnO2 성분임을 알 수 있다. Fig. 1(c)에서 200 °C 열 처리 한 박막의 픽은 위로 증가하였으므로 결정성이 더 진행되고 있음을 알 수 있다. ZnO는 열처리를 하면 화 학 양론적으로 산소공공이 많이 생겨서 비정질특성으로 변하며, SnO2의 경우는 열처리를 하면 산소공공이 덜 생 기면서 결합구조가 치밀해지면서 결정성이 증가한다고 볼 수 있다. ZTO 박막의 결정성은 열처리를 하면 결정성 이 나타나는 것으로부터 열처리에 의한 결정성은 SnO2 의 효과에 의해 열처리 후 산소 공공이 적어지기 때문 이다.

    Fig. 2는 ZnO, SnO2와 ZTO 산화물반도체의 특성을 분석하기 위해서 PL특성을 살펴보았다. Fig. 2(a)에서 ZnO 박막의 100 °C 열처리 한 박막에서 600 nm 근처의 픽의 강도가 상당히 진행된 것을 알 수 있다. 광학적인 PL특성은 증착한 박막과 200 °C 열처리한 박막에서 픽 의 위치가 거의 유사하게 500 nm 근처에서 나타나고 있 다. 하지만 100 °C 열처리 한 박막에서는 많은 변화를 보여준다. 상대적으로 SnO2의 박막에서 100 °C 열처리한 PL 스펙트라 픽의 강도는 낮고 장파장 쪽으로 이동하는 것을 Fig. 2(b)에서 알 수 있다. 따라서 ZTO 박막에서 100 °C 열처리한 박막은 광학적으로 보면 ZnO 성분의 효 과가 크다는 것을 알 수 있다. Fig. 2(c)의 ZTO 열처리 효과에 따른 PL 스펙트라를 보여주고 있다. ZnO 박막 처럼 200 °C 열처리한 박막에서 픽의 위치가 거의 유사 하게 500 nm 근처에서 나타났다. 또한 100 °C 열처리 하 면 장파장쪽으로 이동하였다.

    Fig. 3은 커패시턴스의 값을 보여주고 있으며, Fig. 3(a) 에서 ZnO 박막은 열처리를 하면 100 °C 열처리에서는 감소하였다가 200 °C 열처리에서는 커패시턴스 값이 증 가하였다. Fig. 3(b)에서 SnO2 박막은 200 °C 열처리를 하면 커패시턴스 값이 감소하였다. 공통적으로 200 °C에 서 큰 변화를 나타내고 있다. Fig. 3(c)에서 ZTO 박막 의 경우 커패시턴스의 값이 거의 비슷한 수준이며, 모 양도 비슷하게 진행되고 있는 것으로부터 ZTO 박막이 다른 산화물반도체에 비하여 상대적으로 안정된 박막임 을 보여준다. ZnO 박막과 SnO2 박막은 증착하고 열처 리하는 과정에서 산소의 공공의 변화가 다양하게 나타 나서 커패시턴스의 값이 여러 가지로 변하지만 ZTO 박 막의 경우는 증착후 열처리온도가 증가할수록 꾸준하고 일정하게 커패시턴스가 증가하는 안정된 방향으로 진행 하고 있다.

    Fig. 4에서 온도에 따른 산화물반도체의 커패시턴스를 나타낸다. Fig. 4(a)는 증착한 ZnO 박막과 SnO2 박막은 산소공공에 의한 효과가 열처리에 의해서 확연하게 나 타나는 반면 ZTO 박막은 증착하는 과정에서 박막의 치 밀도가 높아서 유동전하의 감소로 인하여 커패시턴스가 가장 낮게 나타났다. Fig. 4(b)4(c)에서도 ZTO 박막 의 커패시턴스는 같은 온도에서 열처리한 다른 산화물 반도체에 비하여 가장 낮게 나타났다. 하지만 Fig. 3(c) 에서 보듯이 열처리온도가 증가할수록 일정하게 커패시 턴스는 증가하며, zero 전압에서 on/off 특성이 개선되는 것을 알 수 있다.

    Fig. 5는 각각의 산화물반도체에 대한 전류-전압특성 곡 선이다. ZnO와 SnO2 박막에서 200 °C 열처리를 한 경 우 급격한 변화를 보여주는데 비하여 ZTO 박막에서는 열처리를 하여도 급격한 변화가 일어나지는 않았다. 전기 적으로도 ZTO 박막이 안정적인 것을 알 수 있다. ZnO 와 SnO2 박막에서 200 °C 열처리를 한 경우 변화는 반 도체 계면에 의한 변화이며, 열처리온도에 따라서 계면 에서 전류가 증가하는 것은 200 °C에서 케리어 전하들이 증가하였다고 볼 수 있으며, ZnO 박막의 XRD패턴이 결 정질에서 비정질로 변하는 특성과 SnO2 박막의 경우 100 °C 열처리 샘플이 결정성이 높았다. 200 °C 열처리 를 하면 비정질특성이 높게 나타난 것을 보면 ZnO와 SnO2 산화물 반도체는 비정질특성으로 바뀌게 되면 계면 에서의 변화에 의한 전류가 급격히 증가하는 특성이 공 통적으로 나타나고 있다는 것을 알 수 있다.14-16) 하지만 Fig. 5(c)로부터 ZTO 박막 경우는 열처리온도가 높을수 록 결정성은 점점 높아지고 있고 전류는 점점 더 증가 하고 있다. 따라서 ZnO와 SnO2성분비가 1:1 조합에 의 해서 만들어지는 ZTO 박막의 경우는 다른 산화물반도 체에서 나타나는 특성과는 다르게 나타나고 있다는 것 을 확인할 수 있다.

    Fig. 6은 열처리온도에 따른 산화물반도체의 전기적인 특성을 비교하였다. 같은 온도에서 측정한 산화물반도체 의 전기적인 특성에서도 알 수 있듯이 온도에 따른 의 존도가 ZTO 박막의 특성이 ZnO와 SnO2박막들의 경우 와 다르게 나타나고 있다. 상온 증착한 박막과 100 °C 열처리한 박막들에서 ZTO 박막은 양의 전압 방향에서 전류가 급격하게 변하는 옴특성이 강하게 나타났다. 그 러나 200 °C 열처리한 ZTO 박막은 쇼키특성이 잘 나타 나고 있다.17) 결과적으로 ZTO 박막은 광학적으로는 ZnO 특성을 가지면서 SnO2 성분에 의한 결정구조의 변화를 통하여 전기적으로 우수한 특성을 갖게 된다는 것을 알 수 있다.

    4.결 론

    ZTO 박막의 특성을 살펴보기 위하여 ZnO와 SnO2박 막을 증착하여 물리적 광학적 특성을 조사하고 ZnO와 SnO2박막의 물리적 광학적 특성이 ZTO 박막의 전기적 인 특성에 미치는 영향을 살펴보았다. ZTO 박막은 ZnO 와 SnO2 성분비의 1:1 조합에 의해서 타겟이 만들어지 므로 ZnO와 SnO2 성분들이 ZTO에 미치는 영향을 세부 적으로 조사하기 위하여 열처리도 실시하였다. 열처리한 결과 ZTO의 결정성은 SnO2 박막의 결정성과 유사하게 따라갔으며, 광학적인 특성은 ZnO 박막의 열처리 특성 변화에 유사하게 진행되는 것을 확인하였다. 결과적으로 ZTO의 전기적인 특성은 열처리를 함에 따라서 안정적 으로 변하였으며, 200 °C 열처리를 할 경우에 결정성이 가장 높았으며, 쇼키접합 특성을 갖는 것을 확인하였다.

    Figure

    MRSK-25-347_F1.gif

    XRD patterns of oxide semiconductor in accordance with annealing temperatures, (a) ZnO, (b) SnO2, (c) ZTO.

    MRSK-25-347_F2.gif

    PL spectras of oxide semiconductor in accordance with annealing temperatures, (a) ZnO, (b) SnO2, (c) ZTO.

    MRSK-25-347_F3.gif

    Capacitance of oxide semiconductor in accordance with annealing temperatures, (a) ZnO, (b) SnO2, (c) ZTO.

    MRSK-25-347_F4.gif

    Temperature dependence of capacitances of oxide semiconductor, (a) RT, (b) 100 °C, (c) 200 °C.

    MRSK-25-347_F5.gif

    Electrical properties of oxide semiconductor in accordance with annealing temperatures, (a) ZnO, (b) SnO2, (c) ZTO.

    MRSK-25-347_F6.gif

    Temperature dependence of electrical characteristics of oxide semiconductor, (a) RT, (b) 100 °C, (c) 200 °C.

    Table

    Condition for ZnO, SnO2 and ZTO processes.

    Reference

    1. Kenugapal G , Kim SJ (2011) Current Appl. Phys, Vol.11; pp.-S381
    2. Akasaka S , Tamura K , Nakahara K , Tanabe T , Kamisawa A , Kawasaki1 M (2008) Appl. Phys. Lett, Vol.93; pp.-123309
    3. Chen WT , Lo SY , Kao SC , Zan HW , Tsai CC , Lin J , Fang HCH , Lee CC (2011) IEEE Electron. Dev. Lett, Vol.32; pp.-1552
    4. Tsao SW , Chang TC , Huang SY , Chen MC , Chen SC , Tsai CT , Kuo YJ , Chen YC , Wub WC (2010) Solid State Electronics, Vol.54; pp.-1497
    5. Jeong DW , Kim JJ , Lee JO (2011) J. Korean Phys. Soc, Vol.59 (5) ; pp.-3133
    6. Nomura K , Kamiya T , Hosono H (2011) Adv. Mater, Vol.23; pp.-3431
    7. Lee JS , Kwack YJ , Choi WS (2011) J. Korean Phys. Soc, Vol.59 (5) ; pp.-3305
    8. Cha D , Lee S , Jung J , An I (2010) J. Korean Phys. Soc, Vol.56 (3) ; pp.-846
    9. Maserjian J , Vac J (1974) Sci. Technol, Vol.11; pp.-996
    10. Nomura K , Kamiya T , Ohta H , Hirano M , Hosono H (2008) Appl. Phys. Lett, Vol.93; pp.-192107
    11. Mitrofanov O , Mantra M (2004) J. Appl. Phys, Vol.95; pp.-6414
    12. Lopes ME , Gomes HL , Medeiros MCR , Barquinha P , Pereira L , Fortunato E , Martins R , Ferreira I (2009) Appl. Phys. Lett, Vol.95; pp.-063502
    13. Oh T , Choi CK (2010) J. Korean Phys. Soc, Vol.56; pp.-1150
    14. Peng YY , Hsieh TE , Hsu CH (2006) Nanotechnology, Vol.17; pp.-174
    15. Maserjian J , Zamani N (1982) Appl. Phys. Lett, Vol.53; pp.-559
    16. Heo J , Kim HJ , Han JH , Shon JW (2007) Thin Solid Films, Vol.515; pp.-5035
    17. Simmons JG (1967) Phys. Rev, Vol.155; pp.-657