• Korean Journal of Materials Research
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• v.28 no.12
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• pp.758-762
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• 2018

The transfer characteristics of zinc tin oxide(ZTO) on silicon dioxide($SiO_2$) thin film transistor generally depend on the electrical properties of gate insulators. $SiO_2$ thin films are prepared with argon gas flow rates of 25 sccm and 30 sccm. The rate of ionization of $SiO_2$(25 sccm) decreases more than that of $SiO_2$(30 sccm), and then the generation of electrons decreases and the conductivity of $SiO_2$(25 sccm) is low. Relatively, the conductivity of $SiO_2$(30 sccm) increases because of the high rate of ionization of argon gases. Therefore, the insulating performance of $SiO_2$(25 sccm) is superior to that of $SiO_2$(30 sccm) because of the high potential barrier of $SiO_2$(25 sccm). The $ZTO/SiO_2$ transistors are prepared to research the $CO_2$ gas sensitivity. The stability of the transistor of $ZTO/SiO_2$(25 sccm) as a high insulator is superior owing to the high potential barrier. It is confirmed that the electrical properties of the insulator in transistor devices is an important factor to detect gases.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.335-335
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• 2014

Over the past several years, transparent conducting oxides have been extensively studied in order to replace indium tin oxide (ITO). Here we report on fluorine doped zinc tin oxide (FZTO) films deposited on glass substrates by radio-frequency (RF) magnetron sputtering using a 30 wt% ZnO with 70 wt% SnO2 ceramic targets. The F-doping was carried out by introducing a mixed gas of pure Ar, CF4, and O2 forming gas into the sputtering chamber while sputtering ZTO target. Annealing temperature affects the structural, electrical and optical properties of FZTO thin films. All the as-deposited FZTO films grown at room temperature are found to be amorphous because of the immiscibility of SnO2 and ZnO. Even after the as-deposited FZTO films were annealed from $300{\sim}500^{\circ}C$, there were no significant changes. However, when the sample is annealed temperature up to $600^{\circ}C$, two distinct diffraction peaks appear in XRD spectra at $2{\Theta}=34.0^{\circ}$ and $52.02^{\circ}$, respectively, which correspond to the (101) and (211) planes of rutile phase SnO2. FZTO thin film annealed at $600^{\circ}C$ resulted in decrease of resistivity $5.47{\times}10^{-3}{\Omega}cm$, carrier concentration ~1019 cm-3, mobility~20 cm2 V-1s-1 and increase of optical band gap from 3.41 to 3.60 eV with increasing the annealing temperatures and well explained by Burstein-Moss effect. Change of work function with the annealing temperature was obtained by ultraviolet photoemission spectroscopy. The increase of annealing temperature leads to increase of work function from ${\phi}=3.80eV$ (as-deposited FZTO) to ${\phi}=4.10eV$ ($600^{\circ}C$ annealed FZTO) which are quite smaller than 4.62 eV for Al-ZnO and 4.74 eV for SnO2. Through X-ray photoelectron spectroscopy, incorporation of F atoms was found at around the binding energy of 684.28 eV in the as-deposited and annealed FZTO up to 400oC, but can't be observed in the annealed FZTO at 500oC. This result indicates that F atoms in FZTO films are loosely bound or probably located in the interstitial sites instead of substitutional sites and thus easily diffused into the vacuum from the films by thermal annealing. The optical transmittance of FZTO films was higher than 80% in all specimens and 2-3% higher than ZTO films. FZTO is a possible potential transparent conducting oxide (TCO) alternative for application in optoelectronics.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.209.1-209.1
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• 2015

Indium gallium zinc oxide (IGZO), indium zinc oxide (IZO) 그리고 zinc tin oxide (ZTO) 같은 zinc oxide 기반의 산화물 반도체는 높은 이동도, 투과도 그리고 유연성 같은 장점을 갖고 있어, display application의 backplane 소자로 적용되고 있다. 또한 최근에는 산화물 반도체를 이용한 thin-film transistor (TFT) 뿐만아니라 resistive random access memory (RRAM), flash memory 그리고 pH 센서 등 다양한 반도체 소자에 적용을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 zinc oxide 기반의 산화물 반도체의 전기 화학적 불안정성은 위와 같은 소자에 적용하는데 제약이 있다. 산화물 반도체의 안정성에 영향을 미치는 다양한 요인들 중 한 가지는, sputter 같은 plasma를 이용한 공정 진행 시 active layer가 plasma에 노출되면서 threshold voltage (Vth)가 급격하게 변화하는 plasma damage effect 이다. 급격한 Vth의 변화는 동작 전압의 불안정성을 가져옴과 동시에 누설전류를 증가시키는 결과를 초래 한다. 따라서 본 연구에서는, IGZO 기반의 TFT를 제작 후 plasma 분위기에 노출시켜, power와 노출 시간에 따른 전기적 특성 변화를 확인 하였다. 또한, thermal annealing을 적용하여 열처리 온도와 시간에 따른 Vth의 회복특성을 조사 하였다. 이러한 결과는 추후 산화물 반도체를 이용한 다양한 소자 설계 시 유용할 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.256-256
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• 2012

Oxide semiconductors such as zinc tin oxide (ZTO) or indium gallium zinc oxide (IGZO) have attracted a lot of research interest owing to their high potential for application as thin film transistors (TFTs) [1,2]. However, the instability of oxide TFTs remains as an obstacle to overcome for practical applications to electronic devices. Several studies have reported that the electrical characteristics of ZnO-based transistors are very sensitive to oxygen, hydrogen, and water [3,4,5]. To improve the reliability issue for the amorphous InGaZnO (a-IGZO) thin-film transistor, back channel passivation layer is essential for the long term bias stability. In this study, we investigated the instability of amorphous indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) thin film transistors (TFTs) by the back channel contaminations. The effect of back channel contaminations (humidity or oxygen) on oxide transistor is of importance because it might affect the transistor performance. To remove this environmental condition, we performed vacuum seasoning before the deposition of hybrid passivation layer and acquired improved stability. It was found that vacuum seasoning can remove the back channel contamination if a-IGZO film. Therefore, to achieve highly stable oxide TFTs we suggest that adsorbed chemical gas molecules have to be eliminated from the back-channel prior to forming the passivation layers.

• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• v.15 no.6
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• pp.328-332
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• 2014

Thin film transistors (TFTs) with an amorphous silicon zinc tin oxide (a-2SZTO) channel layer have been fabricated using an RF magnetron sputtering system. The effect of the change of excitation electron on the variation of the total interfacial trap states of a-2SZTO systems was investigated depending on sputtering power, since the interfacial state could be changed by changing sputtering power. It is well known that Si can effectively reduce the generation of the oxygen vacancies. However, The a-2SZTO systems of ZTO doped with 2 wt% Si could be degraded because the Si peripheral electron belonging to a p-orbital affects the amorphous zinc tin oxide (a-ZTO) TFTs of the s-orbital overlap structure. We fabricated amorphous 2 wt% Si-doped ZnSnO (a-2SZTO) TFTs using an RF magnetron sputtering system. The a-2SZTO TFTs show an improvement of the electrical property with increasing power. The a-2SZTO TFTs fabricated at a power of 30 W showed many of the total interfacial trap states. The a-2SZTO TFTs at a power of 30 W showed poor electrical property. However, at 50 W power, the total interfacial trap states showed improvement. In addition, the improved total interfacial states affected the thermal stress of a-2SZTO TFTs. Therefore, a-2SZTO TFTs fabricated at 50 W power showed a relatively small shift of threshold voltage. Similarly, the activation energy of a-2SZTO TFTs fabricated at 50 W power exhibits a relatively large falling rate (0.0475 eV/V) with a relatively high activation energy, which means that the a-2SZTO TFTs fabricated at 50 W power has a relatively lower trap density than other power cases. As a result, the electrical characteristics of a-2SZTO TFTs fabricated at a sputtering power of 50 W are enhanced. The TFTs fabricated by rf sputter should be carefully optimized to provide better stability for a-2SZTO in terms of the sputtering power, which is closely related to the interfacial trap states.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.473-473
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• 2013

전자종이, 입을 수 있는 디스플레이, 플렉서블 터치 스크린, 투과성 면 등과 같은 차세대 플렉서블 투명 전자소자는 기계적으로 유연하고 광학적으로 투명하며 무게가 가벼운 특성을 지녀야 할 것으로 예상된다. 현재까지는Indium tin oxide (ITO), zinc tin oxide (ZTO), carbon nano tube (CNT)와 polyimide 계열의 물질들이flexible, wearable, and transparent electronics (FWTEs) 소자의 electrode, active channel, dielectric layers로 제안되어 활발히 연구되었다. 최근에는 높은 이동도(~200,000 cm2/Vs) 및 유연성(fracture strain of 30%), 투명도 (97.5% for monolayer)와 같은 특성을 갖는 그래핀에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 그래핀을 차세대 플렉서블 투명 전자소자 구현에 적용하기 위해서는 플렉서블하고 투명한 절연체의 확보 및 그래핀의 진성(intrinsic) 특성 유지 등과 같은 문제점들을 해결해야 한다. 따라서, 본 연구팀에서는 그래핀 기반 플렉서블 투명 전자소자의 게이트 절연층으로 적합한 poly-4-vinylphenol/poly (melamineco-formaldehyde) (PVP/PMF) 물질을 제시하고 이에 대한 전기적 재료적 분석을 수행하였다. 특히 다양한 PVP와 PMF의 비율 및 가열(annealing 혹은 curing) 온도에서 형성된 PVP/PMF 층의 화학 및 전기적 특성을 FT-IR, I-V, 그리고 C-V 측정을 통해 확인하였다. PVP/PMF는 유기절연 물질의 하나로서 높은 유연성과 투명도를 갖고 있을 뿐만 아니라 그래핀에 적용 시 그래핀의 진성 특성을 확보할 수 있다. 이는 PVP/PMF에 존재하는 hydroxyl (-OH) 그룹과 그래핀 상에서 정공(hole)을 공급하는 것으로 알려져 있는 -OH 그룹들간의 cross-linking 메커니즘에 의한 것으로 예상된다. 마지막으로 최적화된 PVP/PMF (낮은 hysteresis 전압)를 게이트 절연층에 적용하여 polyethylene terephthalate (PET) 기판 및 연구원의 손가락 위에 95.8%의 투명도 및 0에 가까운 Dirac point를 갖는 그래핀 기반 플렉서블 투명 전자소자를 성공적으로 집적하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.216.1-216.1
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• 2015

본 연구에서는 용액 공정 기반 AZTO (Aluminum-Zinc-Tin Oxide, AlZnSnO) 박막 트랜지스터를 제작하여 Al (Aluminum) 도핑과 열처리 온도의 가변을 통한 특성 향상을 확인하였다. ZTO 용액의 Zn:Sn 비율(4:7)을 고정하고 Al 도핑(0~8.3%)과 열처리 온도($350{\sim}550^{\circ}C$)를 가변하였다. 실험 결과 Al 도핑이 증가할수록 드레인 전류는 감소하고 문턱 전압이 양의 방향으로 이동하면서 포화 이동도와 아문턱 기울기가 감소하였다. 열처리 온도가 증가할 때는 드레인 전류가 증가하고 문턱 전압은 음의 방향으로 이동하며 이동도와 아문턱 기울기가 증가하였다. Al 도핑은 강한 금속-산소 결합에 의해 oxygen vacancy와 전자 농도가 감소하게 하여 드레인 전류, 이동도, 아문턱 기울기의 감소와 양의 방향 문턱 전압 이동을 야기한다. 열처리 온도가 높아지면 반도체 층의 분자 구조가 더 밀집되고 oxygen vacancy 가 증가하며, 이는 전자 농도의 증가로 이어져 Al 도핑의 효과와 반대의 경향을 보인다. 실험 결과를 통해 Al:Zn:Sn=0.5:4:7의 비율과 $350^{\circ}C$ 열처리 조건에서 문턱 전압과 이동도, 아문턱 기울기, 전류 온오프 비($I_{on}/I_{off}$)가 각각 3.54V, $0.16cm^2/Vs$, 0.43 V/dec, $8.1{\times}10^5$으로 우수한 특성을 확인하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2010.05a
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• pp.53.2-53.2
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• 2010

지금까지 능동 구동 디스플레이의 TFT backplane에 사용하고 있는 채널 물질로는 수소화된 비정질 실리콘(a-Si:H)과 저온 폴리실리콘(low temperature poly-Si)이 대표적이다. 수소화된 비정질 실리콘은 TFT-LCD 제조에 주로 사용되는 물질로 제조 공정이 비교적 간단하고 안정적이며, 생산 비용이 낮고, 소자 간 특성이 균일하여 대면적 디스플레이 제조에 유리하다. 그러나 a-Si:H TFT의 이동도(mobility)가 1 cm2/Vs이하로 낮아 Full HD 이상의 대화면, 고해상도, 고속 동작을 요구하는 UD(ultra definition)급 디스플레이를 개발하는데 있어 한계 상황에 다다르고 있다. 또한 광 누설 전류(photo leakage current)의 발생을 억제하기 위해서 화소의 개구율(aperture ratio)을 감소시켜야하므로 패널의 투과율이 저하되고, 게이트 전극에 지속적으로 바이어스를 인가 시 TFT의 문턱전압(threshold voltage)이 열화되는 문제점을 가지고 있다. 문제점을 극복하기 위한 대안으로 근래 투명 산화물 반도체(transparent oxide semiconductor)가 많은 관심을 얻고 있다. 투명 산화물 반도체는 3 eV 이상의 높은 밴드갭(band-gap)을 가지고 있어 광 흡수도가 낮아 투명하고, 광 누설 전류의 영향이 작아 화소 설계시 유리하다. 최근 다양한 조성의 산화물 반도체들이 TFT 채널 층으로의 적용을 목적으로 활발하게 연구되고 있으며 ZnO, SnO2, In2O3, IGO(indium-gallium oxide), a-ZTO(amorphous zinc-tin-oxide), a-IZO (amorphous indium-zinc oxide), a-IGZO(amorphous indium-galliumzinc oxide) 등이 그 예이다. 이들은 상온 또는 $200^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도에서 PLD(pulsed laser deposition)나 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition)으로 손쉽게 증착이 가능하다. 특히 이중에서도 a-IGZO는 비정질임에도 불구하고 이동도가 $10\;cm2/V{\cdot}s$ 정도로 a-Si:H에 비해 월등히 높은 이동도를 나타낸다. 이와 같이 a-IGZO는 비정질이 가지는 균일한 특성과 양호한 이동도로 인하여 대화면, 고속, 고화질의 평판 디스플레이용 TFT 제작에 적합하고, 뿐만 아니라 공정 온도가 낮은 장점으로 인해 플렉시블 디스플레이(flexible display)의 backplane 소재로서도 연구되고 있다. 본 실험에서는 rf sputtering을 이용하여 증착한 a-IGZO 박막에 대하여 열처리 조건 변화에 따른 a-IGZO 박막들의 광학적, 전기적 특성변화를 살펴보았고, 이와 더불어 a-IGZO 박막을 TFT에 적용하여 소자의 특성을 분석함으로써, 열처리에 따른 Transfer Curve에서의 우리가 요구하는 Threshold Voltage(Vth)의 변화를 관찰하였다.