Role of Oxygen and Nitrogen Defects on ZnON and InON Semiconductors for Phototransistor Applications

Abstract

디스플레이 기술은 평판 기반에서 플렉서블한 형태로 변화하고 있으며 향 후 생체 인식 센서 등 새로운 기능을 추가하는 방향으로 발전하고 있다. 광트 랜지스터를 활용한 지문인식(가시광)과 정맥인식(근적외선) 방법이 많은 관심 을 받고 있지만, 높은 전기적 특성 뿐만 아니라 녹색, 근적외선 파장의 빛에 대하여 높은 반응성과 회복성을 가진 소재에 대한 연구가 필요한 상황이다. 가장 대표적으로 주목받고 있는 산화물 반도체는 넓은 밴드갭을 가져 가시 광이나 근적외선 빛을 흡수하지 못할 뿐만 아니라 박막 내 산소 공공에 의한 잔류광전도도 현상이 일어나는 한계점을 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 질 산화물 반도체를 이용하여 광트랜지스터를 제작하고 박막의 조성이나 음이온 결함과 광반응성/광회복성 특성 간의 상관 관계에 대해 연구하였다. 첫 번째로, 질산화물이 작은 밴드갭을 가져 자외선과 가시광 영역의 빛을 흡수할 수 있다는 점을 이용하여 빛과 열을 동시에 가해주어 낮은 온도의 광 -열처리 공정을 최적화 시키는 연구를 진행하였다. 자외선과 가시광을 활용하 여 ZnON 박막 트랜지스터를 제작하고 평가하였다. 또한 박막 내에 존재하는 질소 결함들이 광-열처리 공정의 조건 (온도 및 빛 에너지)에 따라 소자 특성 과 신뢰성의 열화에 영향을 주는 것을 확인하였다. 두 번째로, 이렇게 최적화된 공정을 통하여 ZnON 질산화물 소재 기반 광 트랜지스터를 제작하고 평가하였다. 우선 증착 조건을 조절하여 ZnON 반도체 의 질소와 산소 원소 비율을 조절하고 그에 따른 소자의 전기적 특성과 광 반 응성/회복성의 광학적 특성을 분석하였다. 질소 가스의 비율이 높을수록 ZnO 의 결합이 감소하여 밴드갭이 감소하였으며, 소자에 근적외선 (808nm)을 가 해주었을 때 가장 높은 광 반응성 특성을 확인할 수 있었다. 또한 질소 가스 의 비율이 높을수록 질소 결함들로 대표되는 비화학양론적 결합 (ZnxNy)의 비 율이 증가하고, 그에 따라 빛을 꺼주었을 때 가장 잔류광전도도가 높은 (광 회복성이 가장 낮은) 특성을 보이는 관계를 확인할 수 있었다. 하지만 이런 ZnON 소재는 수분등의 외기에 대하여 비교적 취약하여 시간 에 따라 특성이 열화될 뿐만 아니라, 잔류광전도도 현상의 문제점이 남아있다. 이런 한계점을 극복하기 위하여 ZnON 질산화물과 IGZO 산화물 반도체를 적 층하여 광 트랜지스터를 제작함으로서 소자의 광 반응성/회복성과 외기에 대 한 안정성을 모두 개선하는 연구를 진행하였다. 5층의 박막을 IGZO/ZnON/ IGZO/ZnON/IGZO 순서로 적층하였을 때, IGZO 층 사이의 ZnON 층에서 가 전자대 부근 에너지 우물이 형성되어 가장 높은 광 회복성 특성을 보였다. 이 는 ZnON 소재 자체가 산소 공공을 적게 가지고 있을 뿐만 아니라, 빛에 의하 여 발생한 전하들이 절연층과 반도체층 사이의 계면에 트랩되기 전에 에너지 우물에서 재결합하여 개선된 광 회복성을 보이는 것이다. 마지막으로 원자층 증착법 (ALD)을 통하여 InON라는 새로운 소재 기반 광 트랜지스터를 제작하고 평가하였다. InON의 InN 결합은 화학적으로 그리 고 외기에 안정적일 뿐만 아니라 ZnON 보다 더 낮은 유효질량을 가져 고이 동도 소재로서 높은 가능성을 갖고 있다. 또한 ALD 방법을 이용하면 질소와 산소 원자의 조성을 더욱 세밀하게 조절하는 것이 가능하기 때문에 광트랜지 스터 특성과의 관계를 세밀하게 분석하는 것이 가능했다 InON 박막의 증착 시, 질소 플라즈마와 달리 암모니아 플라즈마를 사용 하게 되면 옥텟 규칙을 만족하면서 리간드들이 In-N 결합으로 치환되기 때문 에 dangling이 아닌 안정한 결합을 이루어 InON 박막이 성장하게 된다. 암모 니아 플라즈마를 사용한 InON 박막에서 산소의 비율과 공공 결함이 더 적었 으며, 그에 따라서 더 작은 밴드갭과 높은 전기전도도의 특성을 보였다. 이를 이용하여 광 트랜지스터를 제작하고 녹색 빛에 대한 광 반응성/광회복성을 평 가하였다. 암모니아 플라즈마 기반 InON 광 트랜지스터에서 더 높은 광 반응 성과 광 회복성을 보였는데, 밴드갭이 작고 산소 공공 결함이 적기 때문이다. 결과적으로 ZnON와 InON이라는 질산화물 소재의 조성, 증착 조건과 소 자 구조를 조절하여 밴드갭과 음이온 결함 등 광 트랜지스터의 광학적 특성을 개선시킬 수 있는 요소들을 소재적 그리고 소자적으로 제어할 수 있었다.| Display technology is further developing in the direction of adding new functions such as biometric sensor to the display. However, in order to realize this, it is necessary to study materials that not only have excellent electrical properties, but also have high reactivity and recovery to green or near-infrared (NIR) wavelengths light. Oxide semiconductors are the representative materials for photo transistors, but main problems are large bandgap and PPC phenomenon. It is a need to study about semiconductors that have a wide absorption wavelength range and less PPC phenomenon itself. First, research on optimizing photo-assist annealing process with IPL and UV-ozone for oxynitride at low temperatures was producted with taking advantage of low optical bandgap. Second, a phototransistor based on ZnON was fabricated and evaluated. By controlling the ratio of nitrogen and oxygen elements of the ZnON semiconductor, the ability of photo-response/recovery properties were adjusted. Next, both the photo-response/recovery and external stability of the device were improved by stacking ZnON and IGZO layers. Not only the ZnON material itself have fewer oxygen vacancies, but also the photo-generated carriers are easily recombined in the ZnON potential energy wells before being trapped at the interface between insulating and semiconductor layer. Finally, in order to overcome the above limitations of the ZnON, a InON material-based phototransistor was fabricated and evaluated through atomic layer deposition (ALD). When NH3 plasma is used not N2 plasma, the InON thin film grows with forming stable bonds rather than dangling bonds since the ligands are substituted with In-N bonds with satisfying the octet rule. The InON phototransistors using NH3 plasma showed higher photo-response/recovery because of their smaller bandgap and fewer oxygen vacancy defects originated from dangling bonds, respectively. As a result, it was possible to control the factors that could improve the optical properties of phototransistors such as band gap and anion defects by controlling the composition, deposition conditions and device structure of ZnON and InON oxynitride materials.