Two-dimensional electron gas at the interface of atomic layer deposited ZnS/ZnO heterostructure

Abstract

AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN과 같은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 이종접합 구조 계면에서 나타나는 이차원 전자 가스는 높은 이동도와 양자 구속 효과 등으로 많은 연구가 진행되었다. 계면에 구속된 전자들은 계면 방향과 평행하게 자유롭게 이동할 수 있어 높은 전도도 특성을 나타냈다. 그러나, 우수한 전기적 특성을 보유하였음에도 불구하고 2DEG을 구현하기 위해 단결정 기판과 여러 층의 에피텍셜 층 구조가 요구되어 최신 Si 기반 반도체 공정에 적용하는 것에 한계가 존재한다. 이후 페로브스카이트 구조의 산화물 이종접합 구조 계면에서도 높은 전도성을 갖는 2DEG이 구현될 수 있다는 연구 결과를 바탕으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, 에피멕셜 LaAlO3 (LAO) 상부 층과 단결정 SrTiO3 (STO) 기판을 사용한 LAO/STO 산화물 이종접합 구조의 계면에서 나타나는 2DEG은 전형적인 반도체 계면(~1011-1012 cm-2)에 비해 100 배가량 높은 면 캐리어 밀도 (~1014 cm-2)를 기반으로 높은 전기적 특성을 갖는다. LAO/STO 산화물 이종접합 구조에서의 2DEG 형성은 극성 불연속성이 계면에서 발생할 때 포텐셜 발산을 방지하는 ‘polar catastrophe’ 메커니즘으로 설명된다. 최근에는 non-stoichiometric LAO 층이나 비정질 Al2O3 층을 단결정 STO 층에 증착하여 극성 불연속성의 날카로운 계면 없이도 2DEG을 형성되는 것을 설명하는 다른 메커니즘인 산소 공공 (VO) 메커니즘이 발표되었다. 그러나 여전히 2DEG 생성에 단결정 기판이 요구되어 반도체 공정으로의 응용이 어렵다. 최근, 단결정 기판이 아닌 비(非)단결정의 원자층 증착법 (ALD)를 통한 이성분계의 극박막 (~ 10 nm) 산화물 이종접합 구조를 통해 산소 공공 (VO) 형성 메커니즘에 기반한 2DEG 형성이 보고되었다. Al2O3/TiO2와 Al2O3/ZnO 이종접합 구조에서 ALD 공정 간 높은 환원성을 갖는 전구체에 의한 표면 환원 반응에 기반한 2DEG 형성 메커니즘을 확인하고 다양한 물리화학적 특성 분석을 통해 검증되었다. 이종접합 구조 계면의 면저항을 상부 층 두께에 따라 홀 측정으로 분석하였으며, 기존에 보고되었던 LAO/STO 2DEG 시스템에서의 전기적 특성과 동일한 거동과 수치를 나타내었다. XPS, STEM 및 EELC 등의 화학적 분석을 통해 이종접합 구조의 계면에서 형성된 산소 공공을 확인하였다. 전구체에 의한 면 저항의 급격한 감소를 상부 층 ALD 반응 공정 동안 직접적으로 관찰하였다. 본 연구는 양산성이 우수한 ALD를 통해 구현된 산화물 이종접합 구조에서 기존에 사용되었던 높은 환원성을 갖는 trimethyl aluminum (TMA) 전구체가 아닌 다른 전구체를 통해 2DEG을 그현하는 것을 제안한다. 이전 연구에서 검증한 ZnO 하부 층을 사용하였다. 높은 환원성을 갖는 것으로 알려진 diethyl zinc (DEZ) 전구체와 H2S 가스를 이용해 ZnS 상부 층을 구현했다. DEZ에 의한 ALD 공정 간 표면 환원 반응에 의한 2DEG 형성 메커니즘을 검증하였다. 형성된 2DEG은 ZnS/ZnO 이종접합 구조 계면의 전기적, 물리화학적 특성 분석을 통해 확인하였다. 본 ZnS/ZnO 이종접합 구조에서 이전에 보고되었던 산화물 이종접합 구조 2DEG 시스템의 면 저항 거동과 동일한 거동으로 2DEG이 형성됨을 확인하였다. ZnS/ZnO 계면에서의 면 저항, 면 캐리어 농도 및 이동도는 이전에 보고되었던 2DEG 시스템과 유사한 수준이었다. 그러나, TMA를 사용한 Al2O3 상부 층의 공정 온도는 300℃인 반면, 본 연구의 상부 층인 ZnS은 150℃의 낮은 공정 온도를 갖는다. 온도에 따른 전기 전도도를 Arrhenius plot으로 타나낸 기울기를 통해, ZnO에서 형성된 VO에 의한 도너 준위를 확인하였다. PL 및 XAS 분석을 통해 2DEG의 증거를 확인하였다. 2DEG의 형성 메커니즘은 in-situ ALD 반응기를 통해 환원 전구체에 의한 면 저항 거동을 직접 관찰하여 검증되었다. ZnS/ZnO 이종접합 구조 기반의 2DEG에 대한 자세한 내용은 chapter 3에서 다루었다. AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN과 같은 Ⅲ-Ⅴ 반도체 이종접합 구조 계면에서 나타나는 이차원 전자 가스는 높은 이동도와 양자 구속 효과 등으로 많은 연구가 진행되었다. 계면에 구속된 전자들은 계면 방향과 평행하게 자유롭게 이동할 수 있어 높은 전도도 특성을 나타냈다. 그러나, 우수한 전기적 특성을 보유하였음에도 불구하고 2DEG을 구현하기 위해 단결정 기판과 여러 층의 에피텍셜 층 구조가 요구되어 최신 Si 기반 반도체 공정에 적용하는 것에 한계가 존재한다. 이후 페로브스카이트 구조의 산화물 이종접합 구조 계면에서도 높은 전도성을 갖는 2DEG이 구현될 수 있다는 연구 결과를 바탕으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, 에피멕셜 LaAlO3 (LAO) 상부 층과 단결정 SrTiO3 (STO) 기판을 사용한 LAO/STO 산화물 이종접합 구조의 계면에서 나타나는 2DEG은 전형적인 반도체 계면(~1011-1012 cm-2)에 비해 100 배가량 높은 면 캐리어 밀도 (~1014 cm-2)를 기반으로 높은 전기적 특성을 갖는다. LAO/STO 산화물 이종접합 구조에서의 2DEG 형성은 극성 불연속성이 계면에서 발생할 때 포텐셜 발산을 방지하는 ‘polar catastrophe’ 메커니즘으로 설명된다. 최근에는 non-stoichiometric LAO 층이나 비정질 Al2O3 층을 단결정 STO 층에 증착하여 극성 불연속성의 날카로운 계면 없이도 2DEG을 형성되는 것을 설명하는 다른 메커니즘인 산소 공공 (VO) 메커니즘이 발표되었다. 그러나 여전히 2DEG 생성에 단결정 기판이 요구되어 반도체 공정으로의 응용이 어렵다. 최근, 단결정 기판이 아닌 비(非)단결정의 원자층 증착법 (ALD)를 통한 이성분계의 극박막 (~ 10 nm) 산화물 이종접합 구조를 통해 산소 공공 (VO) 형성 메커니즘에 기반한 2DEG 형성이 보고되었다. Al2O3/TiO2와 Al2O3/ZnO 이종접합 구조에서 ALD 공정 간 높은 환원성을 갖는 전구체에 의한 표면 환원 반응에 기반한 2DEG 형성 메커니즘을 확인하고 다양한 물리화학적 특성 분석을 통해 검증되었다. 이종접합 구조 계면의 면저항을 상부 층 두께에 따라 홀 측정으로 분석하였으며, 기존에 보고되었던 LAO/STO 2DEG 시스템에서의 전기적 특성과 동일한 거동과 수치를 나타내었다. XPS, STEM 및 EELC 등의 화학적 분석을 통해 이종접합 구조의 계면에서 형성된 산소 공공을 확인하였다. 전구체에 의한 면 저항의 급격한 감소를 상부 층 ALD 반응 공정 동안 직접적으로 관찰하였다. 본 연구는 양산성이 우수한 ALD를 통해 구현된 산화물 이종접합 구조에서 기존에 사용되었던 높은 환원성을 갖는 trimethyl aluminum (TMA) 전구체가 아닌 다른 전구체를 통해 2DEG을 그현하는 것을 제안한다. 이전 연구에서 검증한 ZnO 하부 층을 사용하였다. 높은 환원성을 갖는 것으로 알려진 diethyl zinc (DEZ) 전구체와 H2S 가스를 이용해 ZnS 상부 층을 구현했다. DEZ에 의한 ALD 공정 간 표면 환원 반응에 의한 2DEG 형성 메커니즘을 검증하였다. 형성된 2DEG은 ZnS/ZnO 이종접합 구조 계면의 전기적, 물리화학적 특성 분석을 통해 확인하였다. 본 ZnS/ZnO 이종접합 구조에서 이전에 보고되었던 산화물 이종접합 구조 2DEG 시스템의 면 저항 거동과 동일한 거동으로 2DEG이 형성됨을 확인하였다. ZnS/ZnO 계면에서의 면 저항, 면 캐리어 농도 및 이동도는 이전에 보고되었던 2DEG 시스템과 유사한 수준이었다. 그러나, TMA를 사용한 Al2O3 상부 층의 공정 온도는 300℃인 반면, 본 연구의 상부 층인 ZnS은 150℃의 낮은 공정 온도를 갖는다. 온도에 따른 전기 전도도를 Arrhenius plot으로 타나낸 기울기를 통해, ZnO에서 형성된 VO에 의한 도너 준위를 확인하였다. PL 및 XAS 분석을 통해 2DEG의 증거를 확인하였다. 2DEG의 형성 메커니즘은 in-situ ALD 반응기를 통해 환원 전구체에 의한 면 저항 거동을 직접 관찰하여 검증되었다. ZnS/ZnO 이종접합 구조 기반의 2DEG에 대한 자세한 내용은 chapter 3에서 다루었다.|Two-dimensional electron gas at the interface of Ⅲ-Ⅴ semiconductor heterostructure such as AlGaAs/GaAs, AlGaN/GaN has been studied exten-sively due to its high mobility and quantum confinement effect. Electrons confined to the interface can move freely parallel to the direction of the interface, representing the high conductivity characteristics. However, even with the excellent electrical properties, its application to state-of-the-art Si-based processes is limited because of the single crystal substrate and multiple epitaxial layers are required to implement 2DEG. Since then, many studies have been conducted based on the research result that 2DEG with high conductivity can be generated at the interface between oxides with perovskite structures. Especially, 2DEG at the LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) heterostructure interface using epitaxial LAO over-layer and single crystal STO substrate has high electrical properties based on the high carrier density of interface (1013~1014 cm-2) that is 100 times higher than that of typical semiconductor (~1011-1012 cm-2). The formation of 2DEG in the LAO/STO oxide heterostructure is explained as a ‘polar catastrophe’ mechanism which prevents the potential divergence when the polarity dis-continuity occurs at the interface. Recently, another mechanism to explain 2DEG formation was demonstrated, a non-stoichiometric LAO layer or an amorphous Al2O3 layer is deposited on a single crystal STO layer can generate the 2DEG without sharp interfaces of discontinuity in polarity; oxygen vacancy (VO) mechanism. However, it is difficult to apply to a semi-conductor process because 2DEG creation still required a single crystal substrate. Recently, 2DEG formation based on an VO mechanism has been reported through a non-single crystal binary ultrathin film (~10 nm) oxide hetero-structure using atomic layer deposition (ALD). In the ALD-Al2O3/TiO2, Al2O3/ZnO heterostructure, the 2DEG formation mechanism based on the reduction reaction in surface by the strong reducing precursor between ALD processes was verified and confirmed through the various physicochemical analysis. The sheet resistance of the oxide interface was analyzed by the Hall measurement according to a thickness of the upper layer, and same behavior as the previously reported LAO/STO 2DEG system. Oxygen vac-ancies were confirmed at the interface of the heterostructure through chemical analysis such as XPS, STEM and EELS. The abrupt reduction in sheet resistance by the precursor was directly observed during the top layer ALD process. In this thesis, we propose to implement 2DEG through precursors other than trimethyl aluminum (TMA) precursors with high reducibility that have been previously used the the oxide heterostructure implemented through mass-producible ALD. We use the ZnO bottom layer, which has been verified by previous studies. A diethyl zinc (DEZ) precursor, which is known to have high reducibility, and H2S gas were used as the ZnS top layer. The mechanism of 2DEG formation by surface reduction between ALD process by DEZ was verified. 2DEG was confirmed by the analysis of the electrical and physicochemical properties of the ZnS/ZnO heterostructure. In this ZnS/ZnO heterostructure, it was confirmed that the 2DEG was generated by the sheet resistance behavior of the previously reported oxide heterostructure 2DEG system. The sheet resistance, sheet carrier density and mobility at the ZnS/ZnO interface are similar to those of previously reported 2DEG system. However, the process temperature of the Al2O3 top layer using TMA was 300℃, whereas the ZnS top layer in this study shows a lower process temperature of 150℃. According to the temperature dependent conductivity along Arrhenius plot, the donor level created in ZnO by VO was confirmed. Evidence of 2DEG was found by photoluminescence (PL) and X-ray absorption spectroscopy (XAS). The 2DEG formation mechanism was verified by directly observing the sheet resistance behavior by the reducing precursor through in-situ ALD reactor. Details of the ZnS/ZnO heterostructure based 2DEG system are given in chapter 3.