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JOURNAL OF SENSOR SCIENCE AND TECHNOLOGY - Vol. 29, No. 5, pp.328-331
ISSN: 1225-5475 (Print) 2093-7563 (Online)
Print publication date 30 Sep 2020
Received 03 Sep 2020 Revised 07 Sep 2020 Accepted 09 Sep 2020
DOI: https://doi.org/10.46670/JSST.2020.29.5.328

졸-겔 공법으로 제작된 SnO2 박막 트랜지스터의 광전기적 특성

이창민1 ; 장재원1, 2, +
1경북대학교 IT 대학 전기전자공학부
2경북대학교 IT 대학 전자공학부
Optoelectronic Properties of Sol-gel Processed SnO2 Thin Film Transistors
Changmin Lee1 ; Jaewon Jang1, 2, +
1School of Electronic and Electrical Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566
2School of Electronics Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566

Correspondence to: + j1jang@knu.ac.kr

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

In this study, a highly crystalline SnO2 thin film was formed using a sol–gel process. In addition, a SnO2 thin-film transistor was successfully fabricated. The fabricated SnO2 thin-film transistor exhibited conventional n-type semiconductor properties, with a mobility of 0.1 cm2 V-1 s-1, an on/off current ratio of 1.2 × 105, and a subthreshold swing of 2.69. The formed SnO2 had a larger bandgap (3.95 eV) owing to the bandgap broadening effect. The fabricated photosensor exhibited a responsivity of 1.4 × 10-6 Jones, gain of 1.43 × 107, detectivity of 2.75 × 10-6 cm Hz1/2 W−1, and photosensitivity of 4.67 × 102.

Keywords:

SnO2, Sol-gel, Thin film transistor, Photo sensor

1. 서 론

광센서는 우주에서의 통신, 광전자 소자 및 광학 이미지 센서 등 차세대 반도체 산업에서 핵심 소자로 알려져 있다 [1]. 현재까지 대부분의 광센서는 고결정성의 Si 반도체를 기반으로 하여 제작되어 있다. 기존의 Si 반도체 기반의 광 센서의 경우 Si 반도체의 형성 및 박막 형성에 있어, 고온과 고진공의 장비를 요구하고 있다. 이로 인하여 소자 제작의 단가 상승을 야기하고, 대면적 공정 및 유연기판에 제작이 어려워 소자의 설계에 제약을 주고 있다. 이러한 Si 반도체의 한계를 극복하기 위해서 다양한 무기물 화합물 반도체인 ZnS, InSe, CdS, Ag2Se, ZnO, CeO2 및 V2O5 등이 최근 연구되고 있다[2-6]. 특히 ZnO, CeO2 및 V2O5와 같은 산화물 반도체의 경우 Bandgap 이 상대적으로 크기때문에 고투명도를 확보할 수 있어, 다양한 응용분야에 적용될 것으로 기대하고 있다. 또한 산화물 반도체를 제작함에 있어 Sol-gel 공법이라는 액상 공정을 사용하면, 고결정성의 산화물을 진공 장비 없이, 대 면적에 제작 할 수 있어, Spray 공법, Spin-coating 공법 및 인쇄 전자에 사용되는 잉크로 최근 각광을 받고 있다[7-9]. 대표적으로 ZnO, In2O3, 및 SnO2 는 잘 알려진 n-type 반도체이며, 특히 SnO2 의 경우 상대적으로 고가의In을 포함하고 있지 않아, 낮은가격으로 박막을 형성 할 수 있다. 또한 SnO2 반도체는 ZnO 및 In2O3 대비 낮은 녹는점과, 고이동도 및 높은 밴드갭을 보여주어, 고성능의 광전자소자를 제작 하는데 있어, 가장 적합한 반도체 물질로 각광받고 있다[10-12]. 따라서 본 연구에서는 Sol-gel 공법을 이용하여 SnO2 박막을 형성하였고, 이를 이용하여 박막 트랜지스터를 제작하고 특성을 평가하였다. 또한 제작된 박막 트랜지스터의 광 응답 특성을 확보하고, 다양한 Parameter 를 평가하였다.


2. 연구 방법

본 연구에 사용된 모든 시약은 Sigma-Aldrich 에서 구입하였으며, 추가적인 공정없이 실험에 사용되었다. SnO2 박막을 형성하기 위하여 전구체로 SnCl2·2H2O를 사용하였다. 56.4 mg 의 전구체를 10ml ethanol 에 분산하여 0.025 mol 의 전구체를 준비하였다. SnO2 박막 트랜지스터는 다음과 같은 방법으로 제작되었다. SnO2 박막 트랜지스터는 Bottom gate coplanar 구조이다. Boron 이 도핑된 p-type 실리콘 기판 위에 100 nm 두께의 SiO2 절연막을 Dry-oxidation 방법을 통하여 성장시켰다. 이후 Source/Drain 전극을 Photolithography 공정과 E-beam evaporation 공정을 이용하여 Au Source/Drain 전극을 제작하였다. 제작된 Source/Drain 전극의 두께는 50 nm 이며, 채널의 길이와 폭은 각각 1000 um 및 100 um 이다. SnO2 박막을 형성하기 전, 표면의 불순물 제거 및 균일한 박막의 형성을 위하여 UV/O3 조사하였다. 이후 3000 rpm 에서 50초 동안 Spin coating 방법을 통하여 박막을 형성시켰다. 전구체가 도포된 기판을 Hotplate 에서 150 oC 로 10분간 열처리를 하였다. 이후 Furnace에서 500 oC 로 2시간 동안 공기중에서 열처리 하였다. 측정 전 게이트 누설 전류 및 Fringe 효과를 막기위해 증착된 박막을 기계적으로 패터닝하였다. 박막의 결정 구조는 X’pert pro grazing incidence X-ray diffractometer 를 이용하여 분석하였다. 박막의 광특성은 UV-Vis spectroscopy를 측정하여 분석하였다. 제작된 트랜지스터의 광전기적 특성은 상온, 공기중에서Agilent 4155 반도체 Parameter 분석기로 측정하였다. 주사된 백색광은 OSRAM HLX64633 할로겐 램프 (100 mW cm-2)를 사용하였다.


3. 결과 및 고찰

그림 1 은 열처리 후의 SnO2 박막의 GIXRD 패턴을 보여준다. 얻어진 Peak 을 토대로 확인해 본 결과, 측정된 박막의 스펙트럼은 표준 JCDPS 41-1445 데이터와 일치함을 확인하였다. 이를 통하여 형성된 박막은 tetragonal 구조의 SnO2 박막임을 확인하였다. 또한 Sn및 SnO Peak 이 나타나지 않았으며, 전구체가 SnO2 박막으로 변환되었음을 확인할 수 있었다. 또한 다양한 plane의 Peak이 확인되는 것을 보아 poly-crystalline 구조임을 확인하였다. 특히 (110) 방향의 Peak 의 세기가 가장 크게 확인되는 것으로 열처리 과정에서 (110) 방향의 결정 성장이 쉽게 일어남을 확인할 수 있었다. 열처리 후 박막의 결정 크기는 Scherrer Equation (1)을 통하여 알 수 있었다