결정성장 조건을 달리하여 공공관련 결함들의 발생영역의 크기가 다르게 형성되도록 성장한 실리콘 결정에서 반경 방향의 산소석출 거동을 고찰하였다. 반경 방향의 산소석출 거동은 결정성장 조건에 따른 공공 영역의 크기에 의존적이다. 반경 방향의 산소석출 거동은 공공우세 영역이 격자간원자 우세영역보다 산소석출이 증가한다. 또한 공공우세 영역과 격자간원자 우세영역 가장자리에서는 비정상적으로 산소석출이 크게 증가한다. 이 두 영역 경계에서는 산소석출이 거의 일어나지 않는다.
본 연구는 산화물반도체의 저항을 이용한 메모리소자를 만들기 위해서 $V_2O_5$ 를 산소가스를 이용하여 증착하고 열처리를 하였다. 산소의 유량이 많을수록 산소공공의 형성을 위하여 높은 열처리온도가 필요하였으며, 산소공공은 쇼키접합을 형성하면서 전기적인 특성이 저항성 메모리소자에 적합한 구조로 만들어지고 있었다. $V_2O_5$ 박막은 열에 의한 이온화 반응에 의하여 산소공공이 형성되었으며, 전압 혹은 전류제어 가능한 저항성 메모리 소자를 위하여 쇼키접합이 +전압과 -전압에서 균형있게 이루어지는 것이 요구되며, 쇼키접합은 150도 혹은 200도에서 열처리가 이루어진 경우 쇼키접합이 잘 형성되는 것을 확인할 수 있었다. $V_2O_5$ 음이온인 산소공공은 역방향전압 혹은 순방향 전압인지에 따라서 저항이 변하면서 쓰기/지우기 상태로 전기적인 동작이 이루어졌으며 저항성메모리로서 구동을 하는 것을 확인하였다.
본 연구는 투명산화물반도체의 전기적인 특성과 산소공공과의 관계를 알아보기 위해서 $TiO_2$ 박막을 증착하여 MIM 구조를 만들어서 전압전류 특성을 관찰하였다. 산소공공은 XPS분석으로 이루어졌으며, 커패시턴스를 측정하여 전하의 용량이 많은 곳에서 산소공공이 어떤 영향을 주는가에 대하여도 조사하였다. 열처리를 통하여 결정질구조로 변하는 $TiO_2$ 박막은 산소공공이 가장 낮은 곳에서 커패시턴스 값이 가장 높았으며, 전하의 양이 많았다. 따라서 전하의 양이 많은 $TiO_2$박막이 $CO_2$ 가스에 대하여 가장 잘 민감하게 반응하는 것을 확인하였다.
가돌리니아 첨가 우라니아에 대한 점결함 모델이 순수 우라니아의 점결함구조를 바탕으로 하여 개발되었다. Gd 도펀트는 금속이온자리에 -1 유효전하를 지니고, 주위의 산소침입형을 밀어내어 산소침입형의 자리를 감소시킨다. 산소 공공 농도가 증가하면 Gd 도펀트는 산소공공과 집합체를 형성하게 된다. 이 점결함 모델은 Gd 도펀트의 양의 증가에 따른 산소포텐샬의 증가와 산소 대금추비율이 2일때 급속한 산소포텐샬 변화를 설명하여, 현존하는 실험값과 좋은 일치를 보였다.
수조구조의 InGaN LED 소자에 적용이 가능하며 높은 열적안정성을 갖는 저저항 고반사율 p형 오믹 전극을 개발하였다. Ag에 Mg을 첨가하여 p형 전극을 이용하여 $400^{\circ}C$, 공기중에서 1분간 열처리 후 $2.2\;{\times}\;10^{-5}\;{\Omega}cm^2$의 낮은 접촉 저항을 얻을 수 있었고, 460 nm 파장에서 82.6%의 높은 반사율을 획득할 수 있었다. 이는 Mg가 첨가됨에 따라 Ag가 고온에서 집괴되는 원인인 산소-공공 결합을 줄여줌으로써 높은 열적 안정성을 얻게 되었다. Ag를 열처리 할 경우, 외부에 존재하는 산소가 공공 자리에 들어간 후, 산소와 공공의 강한 인력에 의해 산소가 침입형 자리에 들어가서면서 두개의 공공과 강하게 bonding을 갖는 diffusion center가 많이 존재하게 된다. 하지만 Mg가 첨가되었을 경우, Oxygen affinity가 강한 Mg에 산소가 먼저 결합을 이루면서 산소-공공결합을 줄여주게 되어 높은 온도에서도 diffusion이 이루어지지 않고 높은 열적 안정성을 갖게 된다.
$SnO_2$ 박막의 결정성과 화학적인 결합구조의 변화가 전기적인 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 증착한 $SnO_2$은 결정질 특성을 가지며 열처리온도가 증가함에 따라 비정질 특성으로 변하였으며, 산소공공의 함량변화는 열처리 온도가 증가할수록 증가하였다가 감소하였다. 산소공공이 증가하면 결정성이 증가하다가 산소공공이 감소하기 시작하면 비정질특성이 우세하게 나타났다. 이러한 결정성에서 비정질로 변화하는 특성의 차이는 PL 분석에 의한 광학적 특성에서 뚜렷하게 나타났으며, 100도와 150도 열처리를 한 박막에서 가장 큰 차이가 나는 것을 보여주었다. XRD 분석보다는 $SnO_2$ 결정구조의 변화에 대하여 광학적인 특성변화에서 더 뚜렷하게 나타난 이유는 케리어의 이온화에 의한 광학적 여기량이 150도 열처리에서 크게 증가하였기 때문이며, 더 높은 온도에서는 광학적 여기량이 감소한 이유는 산소공공에 의한 케리어가 많지 않았기 때문으로 확인할 수 있다.
IGZO의 접합특성을 조사하기 위해서 진공 중에서와 대기 중에서 열처리를 하여, 전지적인 특성을 조사하였다. 진공 중에서 열처리를 한 IGZO는 비정질특성을 나타내었지만 대기 중에서 열처리를 하면 결정질 특성을 가졌다. 열처하는 방법에 따라서 산소공공의 함량이 달라지기 때문이다. 대기 중에서 열처리를 하면 IGZO의 산소공공이 증가하였다. 산소공공은 전류를 증가시키고 따라서 대기 중에서 열처리를 한 IGZO는 오믹 접합을 나타내었다. 그러나 진공 중에서 열처리를 한 IGZO는 쇼키접합을 나타냈다.
피로현상의 진행에 따라 발생하는 하부전극 주위의 산소공공 축적현상을 적용하여 강유전체 박막의 switching 특성과 MFSFET 소자특성을 시뮬레이션하였다. Switching 모델에서 relative switched charge는 피로현상 전에 0.74 nC 이였으나, 피로가 진행되어 50${\AA}$의 산소공공층이 생성된 후에는 불과 0.15nC 로서 산소공공층이 분극반전을 강력하게 억제함을 알았다. MFSFET 소자의 모델에서 C-V_G와 I_D-V_G 곡선은 2 V 의 memory window를 나타내었고, 캐패시턴스 특성에서 축적과 공핍 및 반전 영역은 확실하게 표현되었다. 그리고, $I_D-V_D$ 곡선에서 두 부분의 문턱전압에 의해 나타난 포화드레인 전류차이는 6mA/$cm^2$이었다. 그러나, 50${\AA}$의 산소공공층이 축적된 후, $I_D-V_D$ 곡선에서 포화 드레인 전류차이는 피로현상이 없는 경우에 비해 약 50% 감소하여 산소공공층이 소자 적용에 난제임을 확인하였다. 본 모델은 강유전체 박막의 다양한 특성과 임의의 강유전체 박막을 사용한 MFSFET 소자의 동작을 예측하는데 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.
ZnO 박막을 Sol-gel용액을 이용한 스핀코팅 방법으로 석영기판 위에 성장하였고 Sol-gel 용액의 온도 변화에 따른 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. ZnO 박막의 구조적, 광학적 특성을 조사하기 위해 field-emission scanning electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), photoluminescence (PL), 그리고 ultraviolet-visible (UV) spectroscopy을 사용하였다. PL 분석에서 ZnO 박막은 orange 계열의 발광을 하였으며, PL spectra는 3.3 eV 부근의 near-band edge emission (NBE) 피크와 2.0 eV 부근의 deep-level emission (DLE) 피크로 이루어져있다. 모든 sol-gel 용액 온도에서, DLE 피크가 NBE 피크보다 더 우세하고 이 DLE 피크는 sol-gel 용액의 온도가 증가함에 따라 점점 증가하다가 감소하는 것을 알 수 있다. 이런 DLE 피크는 산소 공공, 아연 공공, 침입형 산소, 침입형 아연 등과 같은 결함에 의한 것이며, ZnO 박막은 sol-gel 용액의 온도에 따라 결함의 특성이 변화하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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