Creation and Mechanisms of Two-dimensional Electron Gas in Metal Oxide Based Heterostructures by Atomic Layer Deposition

Abstract

Abstract 요지 원자층 증착법을 통한 이종 금속 산화물 구조에서의 2차원 전자가스 생성 및 메커니즘에 관한 연구 Yuhang Liu Dept. of Materials Science and Chemical Engineering The Graduate School, Hanyang University 반도체 특성을 나타내는 이종 접합 구조에 대한 초기연구는 AlGaAs/GaAs, Ge/SiGe 및 LaAlO3/SrTiO3 AlGaAs/GaAs, Ge/SiGe 및 LaAlO3/SrTiO3 등 다양한 이종 접합 구조에서 나타나는 2차원적 특성에 대해 연구하였다. 이 같은 이종 접합 구조는 Field-Effect Transistor (FETs)의 기본 구조로써 고성능 FETs 및 다양한 차세대 소자 개발분야에 큰 파급력을 가지고 있다. 본 문헌은 원자층 증착 공정(ALD)을 이용한 금속산화물의 이종 접합 구조에서 나타나는 이차원 전자 가스(2DEG)에 대한 연구를 다룬다. ALD 공정을 통해 형성한 Al2O3/TiO2 이종 접합 구조는 Epitaxial 공정으로 성장시킨 LaAlO3/SrTiO3 이종 접합 구조와 유사한 수준의 전기적 특성을 나타내었다. Al2O3/TiO2 구조에서의 2DEG 형성 기구 분석을 통해 상부층인 Al2O3의 ALD 공정시 하부층인 TiO2 내에 발생한 산소 공공이 2DEG 형성에 중요한 역할을 담당하는 것으로 밝혀졌으며, 하부층의 두께에 따른 결정성에 의해 산소 공공의 활성화에너지 및 carrier density가 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 추가로 Al2O3/TiO2 이종접합 구조를 기반으로 한 FETs을 제작하여 전기적 특성을 측정한 결과 기존의 이종 산화물 기반 FETs 보다 On current, on/off 전류비 및 sub-threshold swing(SS)등 각종 전기적 특성이 월등히 우수함을 확인하였다. ZnO 기반의 각종 이종접합 구조(Al2O3/ZnO, HfO2/ZnO 및 ZnS/ZnO)에서도 2DEG 특성의 발현이 가능함을 확인하였다. ZnO 기반 이종접합 구조에서의 2DEG 발생기구 분석을 위해 photoluminescence spectroscopy (PL) 및 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 진행하였으며 Al2O3/ZnO 이종접합 구조의 경우 계면에 존재하는 oxygen vacancy가 electron donor 역할로 작용하여 2DEG가 발생함을 확인하였다. ZnS/ZnO 이종접합 구조의 경우 통상 SiO2 웨이퍼 상에도 증착이 가능하며 낮은 면저항, 높은 Carrier density를 갖는 2DEG를 형성할 수 있다. 본 연구는 원자층 증착 공정을 통한 산화물 이종접합 기반 2DEG 저온 형성 기술의 도입을 통해 차세대 전자소자 개발의 가능성을 제시하고자 한다.; Abstract Creation and Mechanisms of Two-dimensional Electron Gas in Metal Oxide Based Heterostructures by Atomic Layer Deposition Yuhang Liu Dept. of Materials Science and Chemical Engineering The Graduate School, Hanyang University In the early research, semiconductor heterostructures have been studied in a broad range of two-dimensional phenomena, such as AlGaAs/GaAs, Ge/SiGe and LaAlO3/SrTiO3. These heterostructures are bricks of field-effect transistors (FETs), and they have a great impact in FETs and other electronic applications. In this thesis, two-dimensional electron gas (2DEG) has been studied in metal oxide based heterostructures via atomic layer deposition film growth technique. The electrical properties of Al2O3/TiO2 heterostructures are comparable with those of LaAlO3/SrTiO3 heterostructure. The origin of 2DEG in Al2O3/TiO2 heterostructure has been studied, and it turns out that oxygen vacancy is the key to create 2DEG, which is formed during Al2O3 top-layer ALD deposition. It has also found that the thickness of TiO2 layers have an immense impact on the 2DEG formation, in other words, the crystallinity of TiO2 layers influences the carrier density and activation energy of oxygen vacancy. In addition, FETs have been fabricated using Al2O3/TiO2 heterostructure exhibiting high on/off current ratio and low sub-threshold swing, which outperform the oxide heterostructure-based FETs. Realization of 2DEG at the interfaces in ZnO-based heterostructures is demonstrated, i.e. Al2O3/ZnO, HfO2/ZnO and ZnS/ZnO heterostructures. Mechanism of 2DEG at the interface of ZnO-based bilayers has been studied by photoluminescence spectroscopy in conjunction with XPS analysis. By taking Al2O3/ZnO bilayer as an example, it revealed that oxygen vacancy plays a pivotal role by acting as electron donor at the interface of heterostructure. ZnS/ZnO heterostructure is investigated on thermal epitaxial SiO2 substrate. The low sheet resistance and high carrier density are obtained at room temperature. The ultra-thin bilayers make use of precise deposition method of ALD at low temperature, allowing technology integration in traditional semiconductor industry, and the results manifest new possibilities for electronic devices based on metal oxide heterostructures.