[ Article ]

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 Hz^1/2 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

Fig. 1.

XRD spectra of sintered SnO2 films.

D = 0.9λ/ β cos ⁡ θ

(1)

여기서 D 는 결정크기, λ 는 파장, β 는 최대 강도를 가지는 Peak 의 반치폭, θ 는 최대 강도를 가지는 Peak 의 위치이다. 이식을 통하여 계산한 SnO₂ 박막의 결정 크기는 4.67 nm 이다

그림 2 (a) 는 열처리 후의 SnO₂ 박막의 흡광도 결과를 보여주고 있다. 이를 바탕으로 한 광에너지 (ahv) 에 대한 그래프는 그림 2 (b) 에 보여주고 있다. 아래의 수식을 이용하여, 주어진 그래프에서 선형으로 피팅하여 박막의 밴드갭을 계산하였으며, 계산된 박막의 밴드갭은 3.95 eV 임을 확인할 수 있었다.

Fig. 2.

(a) Absorbance and (b) (ahv)2 vs hv curves of Sol-gel processed SnO2 thin films.

α h v 1 / n = A h υ - E g

(2)

여기서 a 는 흡광상수, hv 는 광에너지, n 은 Power Factor, A는 상수, E_g 는 박막의 밴드갭 값을 의미한다. Power Factor는 직접천이형의 반도체의 경우인 0.5 값을 사용하였다. 또한 흡광상수 값은 아래의 수식을 이용하여 계산하였으며, 여기서 A 는 흡광도, t 는 박막의 두께이다. 특정된 박막의 두께는 4.4 nm 이다.

α = 2.303 A / t

(3)

계산된 SnO₂ 박막의 밴드갭은 3.95 eV 로 Bulk SnO₂ 반도체의 밴드갭인 3.67 eV 보다는 큰 값을 보여주었다. 이는 박막의 두께가 얇아짐에 따라 2D 박막에서 발생하는 밴드갭 브로드닝 효과가 발생함을 확인 할 수 있었다. 또한, 아래의 수식을 통하여 브로드닝 효과를 예측할 수 있다[13].

E g d o t = E g b u l k + h 2 π 2 2 R 2 1 m e * + 1 m h *

(4)

여기서 E_g 는 밴드갭, R는 두께, m_e^*, m_h^* 는 각각 전자와 전공의 유효 질량을 의미한다. 측정된 박막의 두께를 이용하여 계산한 결과 3.92 eV 로 측정값과 유사한 값을 확인하였다.

그림 3은 제작된 SnO₂ 박막 트랜지스터의 전기적 특성을 보여준다. 제작된 SnO₂ 박막 트랜지스터는 전형적인 n-type 반도체 소자의 특성을 보여준다. 제작된 소자의 이동도는 0.1 (cm² V^-1s^-1) 및 I_on/I_off 는 1.2×10⁵ 이다. 제작된 소자의 V_th 는 -3.8 V이며, 이를 통하여 제작된 SnO₂ 박막 트랜지스터는 Depletion Mode 로 동작함을 확인하였다. 낮은 V_DS 전압에서 전압과 전류는 선형적인 특성을 보여주지는 않았으며, 이는 n-type 반도체인 SnO₂ 와 Source/Drain으로 사용한 Au 의 일함수차에서 발생하는 에너지 장벽으로 인한 것임을 확인할 수 있었다[14,15].

Fig. 3.

Output curves of Sol-gel processed SnO2 thin film transistors: (a) ID-VD curves and (b) ID-VG curves.

그림 4는 제작된 SnO₂ 박막트랜지스터의 광응답특성을 보여준다. 제작된 SnO₂ 박막트랜지스터는 공기중에 노출된 채로 백색광에 노출시켰으며, 인가된 전압은 V_D=+1.0 V 와 V_G=-19.0 V 이다. 광센서의 특성 평가를 위한 대표적인 Parameter 인 responsivity (R), gain (G), detectivity (D^*) 및 photosensitivity (S) 값을 아래의 수식으로 평가하였다.

Fig. 4.

Transient photocurrent characteristics of Sol-gel processed SnO2 thin film transistors.

R = I p h - I d P o = η q λ h c G

(5)

G = N e l N p h = τ τ t r

(6)

D * = A 1 / 2 R 2 q I d 1 / 2

(7)

S = I p h - I d I d × 100 %

(8)

여기서 I_ph, I_d, P_o, η, q, λ, h, c, N_el, N_ph, τ 및 τ_tr 는 각각 광전류, 암전류, 주사된 광원의 파워, 양자 효율, 전하량, 주사된 빛의 파장, 플랑크 상수, 광속, 단위시간동안 발생된 전자 및 정공의 수, 재결합 수명 및 천이 시간 이다. 이를 바탕으로 추출한 소자의 responsivity, gain, detectivity, 및 photosensitivity 는 각각 1.4×10^-6, 1.43×10⁷, 2.75×10^-6 (cm Hz^1/2W⁻¹) 및 4.67×10² 이였다. 특히 제작된 소자는 빛에 노출되었을 때 발생한 광전류가 초기에 급격히 증가하다가, 이후에 서서히 증가됨을 확인할 수 있었다. 초기의 급격한 증가는 빛에 의해 여기 된 전자가 직접적으로 고에너지 준위로 직접이동하기 때문이다. 이후 표면이나 내부의 트랩 준위로 인하여 서서히 증가함을 확인 할 수 있었다[16]. 또한 지속적으로 인가된 V_G전압에 의하여 음의 방향으로 이동한 V_th 도 전류값의 증가에 기여했다고 판단된다. 따라서 안정적인 V_th 를 위해서 Doping 공정을 진행하고, 구체적인 광전류 메카니즘 분석을 위한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다[17,18].

4. 결 론

본 연구에서는 Sol-gel 공법을 이용하여 고결정성의 SnO₂ 박막을 형성하였다. 형성된 SnO₂ 박막 트랜지스터는 전형적인 n-type 반도체 특성을 보여주었다. 제작된 소자의 이동도는 0.1 (cm² V^-1s^-1) 및 I_on/I_off 는 1.2×10⁵ 이다. 제작된 소자의 V_th 는 –3.8 V 이며, 이를 통하여 제작된 SnO₂ 박막 트랜지스터는 Depletion Mode 로 동작함을 확인하였다. 제작된 트랜지스터를 백색광에 노출시켜 광응답특성을 확인하여 센서를 제작하였다. 광센서의 특성 평가를 위한 대표적인 Parameter 인 responsivity (R), gain (G), detectivity (D^*) 및 photosensitivity (S) 값을 아래의 수식으로 평가하였다. 이를 바탕으로 추출한 소자의 responsivity, gain, detectivity 및 photosensitivity 는 각각 1.4×10^-6, 1.43 ×10⁷, 2.75×10^-6 (cm Hz^1/2W⁻¹), 및 4.67×10² 이였다.

Acknowledgments

이 성과는 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (2019R1F1A1059788)

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