KR101596569B1 - 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법 - Google Patents
갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101596569B1 KR101596569B1 KR1020140031015A KR20140031015A KR101596569B1 KR 101596569 B1 KR101596569 B1 KR 101596569B1 KR 1020140031015 A KR1020140031015 A KR 1020140031015A KR 20140031015 A KR20140031015 A KR 20140031015A KR 101596569 B1 KR101596569 B1 KR 101596569B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- oxide semiconductor
- thin film
- sno
- precursor solution
- type
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 7
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 9
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 19
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 claims description 10
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N thiourea Chemical compound NC(N)=S UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Natural products NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 16
- QHGNHLZPVBIIPX-UHFFFAOYSA-N tin(II) oxide Inorganic materials [Sn]=O QHGNHLZPVBIIPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- OMZSGWSJDCOLKM-UHFFFAOYSA-N copper(II) sulfide Chemical compound [S-2].[Cu+2] OMZSGWSJDCOLKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 5
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 4
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 4
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- HRHKULZDDYWVBE-UHFFFAOYSA-N indium;oxozinc;tin Chemical compound [In].[Sn].[Zn]=O HRHKULZDDYWVBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- CHPZKNULDCNCBW-UHFFFAOYSA-N gallium nitrate Chemical compound [Ga+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O CHPZKNULDCNCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005224 laser annealing Methods 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910021591 Copper(I) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 102000004129 N-Type Calcium Channels Human genes 0.000 description 1
- 108090000699 N-Type Calcium Channels Proteins 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- BWFPGXWASODCHM-UHFFFAOYSA-N copper monosulfide Chemical compound [Cu]=S BWFPGXWASODCHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M copper(I) chloride Chemical compound [Cu]Cl OXBLHERUFWYNTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229940044658 gallium nitrate Drugs 0.000 description 1
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- NJWNEWQMQCGRDO-UHFFFAOYSA-N indium zinc Chemical compound [Zn].[In] NJWNEWQMQCGRDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000012995 silicone-based technology Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
- H01L29/7869—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film having a semiconductor body comprising an oxide semiconductor material, e.g. zinc oxide, copper aluminium oxide, cadmium stannate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
- H01L29/78651—Silicon transistors
- H01L29/7866—Non-monocrystalline silicon transistors
- H01L29/78672—Polycrystalline or microcrystalline silicon transistor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
본 발명은, 갈륨 농도 비율에 따른 용액공정으로 간편하게 제조할 수 있는 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는, CuS, 및 SnO, ITO, IZTO 및 IZO에서 선택되어지는 1종 이상의 결합에 Ga이 추가적으로 결합되어 있는 p형 산화물 반도체 및 이의 제조방법이다. 본 발명의 p형 산화물 반도체는, 용액공정에 의해 용이하게 제조할 수 있어 저온·저비용 제조가 가능할 뿐 아니라, 갈륨의 농도 비율에 따라 결정 또는 비정질 상태의 박막을 얻을 수 있으며, 높은 이동도의 고성능 박막 트랜지스터를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은, 갈륨 농도 비율에 따른 용액공정으로 간편하게 제조할 수 있는 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
산화물 반도체는, 최근들어, 신문, 잡지, 교과서, 서적 등 각종 출판물을 대체할 수 있는 e-북(e-book)이나 휘어지는 플렉서블 디스플레이의 재료로서, 주목을 받고 있으며, 그의 연구가 활발히 진행되고 있다.
왜냐하면, 산화물 반도체는, 이동도가 크고 투명하여 투명 디스플레이를 용히하게 구현할 수 있을 뿐 아니라, 종래의 기술의 한계점을 극복할 수 있는 대안 기술로서 평가되고 있기 때문이다(이하의 내용 비특허문헌 1 참조).
즉, 기존의 실리콘(Si)기반의 기술로는, 차세대 디스플레이소자로 각광받는 OLED를 동작시키기 위한 스위칭 소자로써 a-Si 기반의 TFT소자의 낮은 이동도에 한계가 있을 뿐 아니라, 기존 a-Si 기반의 소자는 bias stress에 의해 문턱전압(threshold voltage)이 변하는 현상에 의해 오작동하는 단점이 있는데 이를 개선하기 위해서는 별도의 보정회로가 필요하게 되고, 결국 개구율과 비용적인 측면에서 한계를 극복하기 어렵다는 기술적 한계가 있다.
또한, Excimer laser annealing(ELA) p-Si TFT의 경우에도, a-Si TFT에 비해서 높은 이동도를 갖으며, 문턱전압 변화 현상이 적다는 장점을 가지고 있으나, laser annealing에 의한 polycrystalline 구조를 형성함에 있어서 균질도가 떨어진다는 단점을 가지고 있다.
이에 반해, 산화물 반도체는 높은 이동도 (1~100 [cm2/Vs])와 높은 밴드갭을 가는 직접 반도체(direct semiconductor)로서, 실리콘 기반의 소자와는 다르게 산화 현상이 발생하지 않으므로 소자의 특성 변화가 적은 장점이 있다.
또한, 상온에서 비정질(amorphous) 또는 다결정질(polycrystalline) 구조를 갖기 때문에, 별도로 그레인(grain)을 형성하기 위한 열처리 과정이 필요하지도 않으며, TFT 소자의 균질도 또한 우수한 것으로 보고되어지고 있다.
다만, 산화물 반도체는 oxygen-vacancies와 zinc interstitials에 의해 주로 n형으로 보고되어지고 있으며 p형 도핑이 어려운 단점을 가지고 있어서, 아직까지 CMOS type의 소자를 구현하는 것은 숙제로 남겨지고 있으며, 현재까지 산화물 반도체의 defect를 컨트롤하기 위한 노력이 많이 진행되고 있다.
현재까지 비정질의 InGaO3(ZnO)5 (IGZO) 계열의 n-type channel 재료가 (상온 이동도: > 10㎠/Vs) 개발되어 TFT 재료로 사용되고 있다. 그러나, 유연기판 위에 반도체(inverter 등), 광소자(LED, LD 등), 태양전지와 같은 능동소자로 제작하기 위해서는 저온에서도 비정질상의 우수한 전기적 성질을 가지는 p형 산화물 재료의 개발이 요구된다.
또한, 광기능을 활용한 광디바이스는 상기의 비정질 실리콘이 원래 가지는 작은 밴드갭으로 인한 불투명성 등의 제약으로 인하여 새로운 p형 투명 산화물 반도체를 이용한 박막트랜지스터의 개발을 필요로 하고 있다.
2003년 일본의 호소노(Hosono) 그룹에서는 비정질 ZnO-Rh2O3 (p-type)과 IGZO (n-type) 물질을 이용한 pn 접합 다이오드를 발표하였다(비특허문헌 2 참조).
호소노 그룹의 결과 이후에는 산화물을 이용한 p형의 반도체 신물질을 얻기 위한 연구가 진행되어 왔으나, 산화물 반도체를 만드는 과정 중에 진공장비를 사용하는 경우가 대부분이었는데, 이 방법은 저온공정이 가능하기는 하였지만 고가의 장비를 사용하는 것이 여전히 단점이 되어왔다.
따라서 용액공정을 사용하여 산화물 반도체 TFT를 제작한다면 원가절감에 크게 도움이 될 것은 자명하다. 즉, 용액 공정으로 산화물 반도체를 개발할 경우 진공공정에 비해 각 반도체 전구체의 다양한 비율로 쉽게 용액 제작이 가능하고 스핀코팅이나 잉크젯 프린팅 방식으로 저온, 저비용으로 빠른 시간 내에 제작이 가능하다는 장점이 있다.
현재까지 알려진 산화물 반도체는 대부분 n-type 특성을 보이고 있기 때문에 p-type 특성을 갖는 투명 산화물 반도체가 구현될 경우 CMOS 형태의 투명전자소자 제작이 가능하고 또 OLED의 구동에도 유리한 측면이 많기 때문에 도핑조건 조절 또는 신물질 개발 등으로 투명 TFT소자를 위한 p-type 투명 산화물 반도체 소재를 찾는 연구가 필요한 실정이다.
나아가, 현재까지 발표된 p형 산화물 반도체의 경우 다결정질 상태의 산화물 박막 트랜지스터가 발표되었고 비정질 상의 산화물 박막 트랜지스터는 발표되지 않고 있다. 비정질의 투명 산화물 반도체(transparent oxide semiconductor:TOS)는 저온 공정이 가능하며, 결정립이 작아 표면조도(surface roughness)가 매우 낮아 적층 성장에 유리하며, 리소그래피 공정 등 미세패터닝에 적합하다는 장점이 있다.
A. P. Ramirez, 〃Oixde Electonics Emerge〃, Science, Vol.35, 2007, p.1377.
S. Narushima, H Mizoguchi, K. Shimizu, K. Ueda, H. Ohta, M. Hirano, T.Kamiya, and H. Hosono, A p-type amorphous oxide semiconductor and room temperature fabrication of amorphous oxide p-n heterojunction diodes, Adv. Mater.,15, 1409 (2003).
본 발명은, 상술한 기술의 문제점을 해결하기 위해, 갈륨을 포함하는 p형 산화물 반도체, 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명의 p형 산화물 반도체는, 용액공정에 의해 용이하게 제조할 수 있어 저온·저비용 제조가 가능할 뿐 아니라, 갈륨의 농도 비율에 따라 일정 농도 이상에서 비정질 상태의 박막을 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
CuS, 및 SnO, ITO, IZTO, IGZO 및 IZO에서 선택되어지는 1종 이상의 결합에 Ga이 추가적으로 결합되어 있는 p형 산화물 반도체를 제공한다.
또한 본 발명의 산화물 반도체에 있어서, 산화물 반도체는 비정질인 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체를 제공한다.
또한 본 발명의 산화물 반도체에 있어서, Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 60 mole% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체를 제공한다.
또한 본 발명의 산화물 반도체에 있어서, 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것인 p형 산화물 반도체를 제공한다.
[화학식 1]
CuS1 - xGax-SnO
[화학식 2]
CuSGaxSn1 - xO
[화학식 3]
CuSGaxSnO
상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다.
또한, Cu, S, M, 및 Ga이 포함된 전구체 용액을 제조하는 단계(여기서, M은, SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되는 1종 이상의 화합물이다);
상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하는 단계; 및
상기 코팅층을 열처리하는 단계를 순차적으로 포함하는 p형 산화물 반도체의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 방법에 있어서, 상기 전구체 용액은, [CuTu3]Cl를 포함하는 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 방법에 있어서, 상기 전구체 용액은, Thiourea를 포함하는 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 방법에 있어서, Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 60 mole% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체을 제공한다.
또한 본 발명의 방법에 있어서, 상기 기판 상의 도포단계는 잉크젯 프린팅 공정에 의한 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체을 제공한다.
또한, 게이트 전극, 게이트 절연막, 활성층, 소스 전극, 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 활성층이 본 발명의 화합물인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연막은, SiO2, Al2O3, 또는 이들의 조합인 산화물 절연 물질인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터를 제공한다.
또한 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 전극은, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 조합인 금속인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
또한 본 발명의 산화물 박막 트랜지스터에 있어서, 상기 활성층은, 위에 보호막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터를 제공한다.
또한, 스퍼터링에 의하여 증착된 박막에 있어서, 사용되는 스퍼터 타겟이 Cu, S, Ga, 및 Sn을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막을 제공한다.
또한 본 발명의 산화물 박막에 있어서, O를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막을 제공한다.
본 발명의 p형 산화물 반도체는, 용액공정에 의해 용이하게 제조할 수 있어 저온·저비용 제조가 가능할 뿐 아니라, 갈륨의 농도 비율에 따라 결정 또는 비정질 상태의 박막을 얻을 수 있으며, 높은 이동도의 고성능 박막 트랜지스터를 구현할 수 있다.
도 1은 CuS-GaxSn1-xO 박막에서 Ga의 농도가 0~50%일 때의 XRD 결과를 나타낸다.
도 2는 CuS-GaxSn1-xO 박막에서 Ga의 농도가 0%, 30%, 50%일 때의 AFM 이미지를 나타낸다.
도 3은 CuS-SnO 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다.
도 4는 CuS-Ga0.5Sn0.5O 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다.
도 5는 SnO2와 CuS-GaxSn1-xO의 UPS(Ultraviolet Photo Spectroscopy) 스펙트럼이다.
도 6은, p형 전구체 용액의 Raman 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 7은, 잉크젯 프린팅 방식으로 250℃에서 형성되고, 활성화 층으로 CuSGa0.3Sn0.7O, CuSGa0 .4Sn0 .6O, 및 CuSGa0 .5Sn0 .5O 박막 트랜지스터의 출력 특성(output characteristics)이다.
도 8은 잉크젯 프린팅 방식으로 300℃에서 형성되고, 활성화 층으로 CuSGa0.3Sn0.7O, CuSGa0 .4Sn0 .6O, 및 CuSGa0 .5Sn0 .5O 박막 트랜지스터의 출력 특성(output characteristics)이다.
도 9는 본 발명 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도이다.
도 2는 CuS-GaxSn1-xO 박막에서 Ga의 농도가 0%, 30%, 50%일 때의 AFM 이미지를 나타낸다.
도 3은 CuS-SnO 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다.
도 4는 CuS-Ga0.5Sn0.5O 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다.
도 5는 SnO2와 CuS-GaxSn1-xO의 UPS(Ultraviolet Photo Spectroscopy) 스펙트럼이다.
도 6은, p형 전구체 용액의 Raman 스펙트럼 결과를 나타낸다.
도 7은, 잉크젯 프린팅 방식으로 250℃에서 형성되고, 활성화 층으로 CuSGa0.3Sn0.7O, CuSGa0 .4Sn0 .6O, 및 CuSGa0 .5Sn0 .5O 박막 트랜지스터의 출력 특성(output characteristics)이다.
도 8은 잉크젯 프린팅 방식으로 300℃에서 형성되고, 활성화 층으로 CuSGa0.3Sn0.7O, CuSGa0 .4Sn0 .6O, 및 CuSGa0 .5Sn0 .5O 박막 트랜지스터의 출력 특성(output characteristics)이다.
도 9는 본 발명 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일측면은,
CuS, 및 SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되어지는 1종 이상의 결합에 Ga이 추가적으로 결합되어 있는 p형 산화물 반도체에 관한 것이다.
상기 CuS는 황화구리(Copper monosulfide)이고, SnO는 산화주석(Tin(Ⅱ) oxide)이고, ITO는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide)이고, IZTO는 인듐 징크 주석 산화물(Indium Zinc Tin Oxide)이고, IGZO는 인듐 갈륨 징크 산화물(Indium Zinc Gallium Oxide)이며, IZO는 인듐 징크 산화물(Indium Zinc Tin Oxide)을 말하는 용어로서, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자(이하, ‘당업자’라 한다)에게 자명한 사항이다.
본 발명의 특징적인 요소는 CuS-GaxSn1 - xO에서 Ga의 농도를 0.3 이상으로 조절하면 결정상태의 박막이 비정질 박막으로 변화하는 것이다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한 실시예를 참조하여 이해할 수 있을 것이다.
상기 Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 60 mole% 범위 이내인 것이 바람직하다.
본 발명의 p형 산화물 반도체는, 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것일 수 있다.
[화학식 1]
CuS1 - xGax-SnO
[화학식 2]
CuSGaxSn1 - xO
[화학식 3]
CuSGaxSnO
상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다.
또한, 본 발명의 다른 측면은,
Cu, S, M, 및 Ga이 포함된 전구체 용액을 제조하는 단계(여기서, M은, SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되는 1종 이상의 화합물이다);
상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하는 단계; 및
상기 코팅층을 열처리하는 단계를 순차적으로 포함하는 p형 산화물 반도체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 전구체 용액은, [CuTu3]Cl를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전구체 용액은, Thiourea를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 60 mole% 범위 이내인 것이 바람직하다.
상기 기판 상의 도포단계는, 진공 공정, 스핀 코팅, 슬롯 프린팅(slot printing), 또는 잉크젯 프린팅 공정에 의한 것일 수 있지만, 공정의 단순성 및 비용 측면에서 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅 공정에 의한 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은,
게이트 전극, 게이트 절연막, 활성층, 소스 전극, 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 활성층이 본 발명의 p형 반도체 산화물인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
도 9에 본 발명 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 단면도를 나타내었다.
상기 게이트 절연막은, SiO2, Al2O3, 또는 이들의 조합인 산화물 절연 물질인 것을 사용할 수 있고, 특별히 제한되지 않는다.
상기 게이트 전극은, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 조합인 금속인 것을 사용할 수 있고, 특별히 제한되지 않는다.
상기 활성층은, 외부로부터의 손상 방지를 위해, 그 위에 보호막층을 포함하는 것일 수 있다.
이상에서 설명한 구성 이외의 박막 트랜지스터에 대한 대해서는, 종래 기술의 구성을 본 발명의 목적을 해하지 않는 범위 내에서 자유롭게 비제한적으로 사용할 수 있고, 이에 대한 상세한 설명은 당업자에 자명하므로, 그 설명은 생략하도록 한다.
이하, 본 발명에 대하여 실시예를 들어 보다 더 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐이므로, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 한다.
실시예
전구체 용액의 제조
질소 환경 하에서, CuCl2, NH2CSNH2(Thiourea), Ga(NO3)3·xH2O(Gallium nitrate hydrate), SnCl2를 아세토니트릴 및 에틸렌글리콜 용매에 녹여 전구체 용액을 제조하였다.
활성층의 형성
상기 제조된 전구체 용액을 스핀 코팅 한 후, 240℃ 핫플레이트 상에서 약 1분 동안 열처리하거나, 60℃ 기판 상에 잉크젯 프린팅하여 활성층을 형성하였다.
열처리 단계
상기 스핀 코팅 또는 잉크젯 프린팅에 의해 형성된 활성화층은, 질소 분위기 하에서 300℃ 온도에서 약 1시간 동안 어닐링(anealing) 되었다.
반도체 산화물 분석
도 1은 CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 Ga의 농도가 0~50%일 때의 XRD 결과를 나타낸다.
CuS-GaxSn1 - xO는 다결정 구조(2θ=28°,32°)이고, Ga의 농도가 30% 이상인 경우 결정 상태에서 비정질 상태로 변화한다.
도 2는 CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 Ga의 농도가 0%, 30%, 50%일 때의 AFM 이미지를 나타낸다.
Ga의 농도가 0%일 때 바늘 모양의 박막이 형성되었고, 제곱 평균 거칠기(root-mean-square(RMS) roughness)의 값이 23~90㎚이고, 이 경우 박막질이 좋지 않았다.
그러나, Ga의 농도가 증가할수록 제곱 평균 거칠기의 값이 감소하여 박막질이 향상되었다. 30%일 때는, 0.46~2.5㎚이고, 50%일 때는 0.67~3.4㎚를 나타내었다.
도 3은 CuS-SnO 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다. CuS-SnO 박막은, Cu, S, Sn, 및 O가 각각 존재하며 균일하지 않은 박막 상태의 결정 구조를 나타낸다. 이는 도 1 XRD 결과에서 Ga이 0%일 때, 결정 피크가 존재함과 일치한다.
도 4는 CuS-Ga0 .5Sn0 .5O 박막의 (a) TEM 이미지와 (b) EDX (Energy Dispersive X-ray) 분광법에 의한 atomic mapping 이미지이다. CuS-Ga0 .5Sn0 .5O 박막은, Cu, S, Sn, 및 O가 각각 존재하며 균일한 비정질 구조를 나타낸다.
도 5와 표 1은 SnO2와 CuS-GaxSn1 - xO의 UPS(Ultraviolet Photo Spectroscopy) 스펙트럼과 work function, Fermi level과 valence band의 차이, 및 ionization potential의 값을 정리한 표이다.
CuS-GaxSn1 - xO 박막에서 결정화된 박막 (Ga<0.3)인 경우, 4.63, 4.61 eV의 work function 값을 나타내고, 비정질 박막 (Ga≥0.3)인 경우, ≥4.66 eV의 높은 값을 나타내었다.
도 6은, p형 전구체 용액의 Raman 스펙트럼 결과를 나타낸다. (a)는 600-800㎝-1 영역의 p형 반도체 용액의 Raman 스펙트럼 결과로 710㎝- 1 에서 [Cu(Tu)3]n 폴리머가 형성되었고, Ga 또는 Sn을 첨가하면 파상수(Wavenumber)가 720㎝- 1으로 이동하며, 용액 내에 Ga 또는 Sn이 존재함을 나타낸다.
(b)는 250-450㎝-1 영역의 Raman 스펙트럼 결과이다. 290㎝- 1 에서는 Sn이 340㎝- 1 에서는 Sn과 Cu가 존재함을 나타낸다. Tu 또는 Ca가 용액에 첨가되면 파상수(Wavenumber) 349㎝- 1 로 이동하며, 이는 용액 내에 Tu가 존재함을 나타낸다.
도 7은, 잉크젯 프린팅 방식으로 250℃에서 형성되고, 활성화 층으로 CuSGa0.3Sn0.7O, CuSGa0.4Sn0.6O, 및 CuSGa0.5Sn0.5O 박막 트랜지스터의 출력 특성(output characteristics)이다.
도 8은 잉크젯 프린팅 방식으로 300℃에서 형성되고, 활성화 층으로 CuSGa0.3Sn0.7O, CuSGa0 .4Sn0 .6O, 및 CuSGa0 .5Sn0 .5O 박막 트랜지스터의 출력 특성(output characteristics)이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 활성화 층으로 CuSGa0 .5Sn0 .5O 박막 트랜지스터 경우는 28.52 ㎠/Vs의 높은 전계효과 이동도를 나타내고 -3.96V 문턱전압을 나타낸다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (15)
- CuS와 M의 결합에 Ga이 추가적으로 결합되어 있되,
상기 M는 SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되는 1종 이상의 화합물인 p형 산화물 반도체. - 청구항 1에 있어서, 산화물 반도체는 비정질인 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체.
- 청구항 1에 있어서, Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 60 mole% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체.
- 청구항 1에 있어서, 하기 화학식 1, 화학식 2, 및 화학식 3에서 선택되는 1종 이상으로 표현되는 것인 p형 산화물 반도체.
[화학식 1]
CuS1 - xGax-SnO
[화학식 2]
CuSGaxSn1 - xO
[화학식 3]
CuSGaxSnO
상기 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 3에서 0 < x < 1 이다. - Cu, S, M, 및 Ga이 포함된 전구체 용액을 제조하는 단계(여기서, M은, SnO, ITO, IZTO, IGZO, 및 IZO에서 선택되는 1종 이상의 화합물이다);
상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하는 단계; 및
상기 도포된 전구체 용액을 열처리하는 단계를 순차적으로 포함하는 p형 산화물 반도체의 제조방법. - 청구항 5에 있어서, 상기 전구체 용액은, [CuTu3]Cl를 포함하는 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 전구체 용액은, 티오 요소(Thiourea)를 포함하는 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서, Ga은 전체 조성 대비, 10 내지 60 mole% 범위 이내인 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체의 제조방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 기판 상의 도포단계는 잉크젯 프린팅 공정에 의한 것임을 특징으로 하는 p형 산화물 반도체의 제조방법.
- 게이트 전극, 게이트 절연막, 활성층, 소스 전극, 및 드레인 전극을 포함하고,
상기 활성층이 청구항 1 내지 4에서 선택되는 어느 한 청구항의 p형 산화물 반도체인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터. - 청구항 10에 있어서, 상기 게이트 절연막은, SiO2, Al2O3, 또는 이들의 조합인 산화물 절연 물질인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 청구항 10에 있어서, 상기 게이트 전극은, 구리, 알루미늄, 또는 이들의 조합인 금속인 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 청구항 10에 있어서, 상기 활성층은, 위에 보호막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 박막 트랜지스터.
- 스퍼터링에 의하여 증착된 산화물 반도체 박막에 있어서, 사용되는 스퍼터 타겟이 Cu, S, Ga, 및 Sn을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막.
- 청구항 14에 있어서, O를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화물 반도체 박막.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140031015A KR101596569B1 (ko) | 2014-03-17 | 2014-03-17 | 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법 |
| US15/127,174 US10797192B2 (en) | 2014-03-17 | 2015-03-17 | P-type amorphous oxide semiconductor including gallium, method of manufacturing same, and solar cell including same and method of manufacturing said solar cell |
| PCT/KR2015/002587 WO2015142038A1 (ko) | 2014-03-17 | 2015-03-17 | 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 태양전지 및 이의 제조 방법 |
| CN201580013906.XA CN106104834B (zh) | 2014-03-17 | 2015-03-17 | 半导体及其方法、薄膜晶体管、薄膜、太阳电池及其方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140031015A KR101596569B1 (ko) | 2014-03-17 | 2014-03-17 | 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150108168A KR20150108168A (ko) | 2015-09-25 |
| KR101596569B1 true KR101596569B1 (ko) | 2016-02-23 |
Family
ID=54246283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140031015A KR101596569B1 (ko) | 2014-03-17 | 2014-03-17 | 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101596569B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109768168B (zh) * | 2019-02-28 | 2022-12-30 | 深圳市先进清洁电力技术研究有限公司 | 一种制备双电子传输层钙钛矿太阳能电池方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101284587B1 (ko) | 2012-05-17 | 2013-07-11 | 한국과학기술연구원 | Ｐ-형 투명 산화물 반도체, 이를 포함하는 트랜지스터 및 그 제조방법 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120009229A (ko) * | 2010-07-23 | 2012-02-01 | 엘지이노텍 주식회사 | 박막 트랜지스터 및 이의 제조방법 |
| KR20190007525A (ko) * | 2011-01-27 | 2019-01-22 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 반도체 장치 |
| KR20120138012A (ko) * | 2011-06-14 | 2012-12-24 | 연세대학교 산학협력단 | 산화물 박막 제조방법, 박막 트랜지스터 제조방법 및 박막 트랜지스터 |
-
2014
- 2014-03-17 KR KR1020140031015A patent/KR101596569B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101284587B1 (ko) | 2012-05-17 | 2013-07-11 | 한국과학기술연구원 | Ｐ-형 투명 산화물 반도체, 이를 포함하는 트랜지스터 및 그 제조방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150108168A (ko) | 2015-09-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Seo et al. | High performance solution-processed amorphous zinc tin oxide thin film transistor | |
| KR101284587B1 (ko) | Ｐ-형 투명 산화물 반도체, 이를 포함하는 트랜지스터 및 그 제조방법 | |
| JP5213458B2 (ja) | アモルファス酸化物及び電界効果型トランジスタ | |
| Tsay et al. | Preparation and characterization of ZnO transparent semiconductor thin films by sol–gel method | |
| Chiu et al. | High-Performance a-IGZO Thin-Film Transistor Using $\hbox {Ta} _ {2}\hbox {O} _ {5} $ Gate Dielectric | |
| TWI453915B (zh) | Thin film transistor | |
| Xu et al. | Low temperature solution-processed IGZO thin-film transistors | |
| Hsu et al. | Fabrication of p-type SnO thin-film transistors by sputtering with practical metal electrodes | |
| US8268666B2 (en) | Field-effect transistor and method for fabricating field-effect transistor | |
| Park et al. | Reliability of crystalline indium–gallium–zinc-oxide thin-film transistors under bias stress with light illumination | |
| WO2010010802A1 (ja) | ｐチャネル薄膜トランジスタとその製造方法 | |
| WO2011125036A1 (en) | P-type oxide alloys based on copper oxides, tin oxides, tin-copper alloy oxides and metal alloy thereof, and nickel oxide, with embedded metals thereof, fabrication process and use thereof | |
| TW201140700A (en) | Stacked oxide material, semiconductor device, and method for manufacturing the semiconductor device | |
| JP6505804B2 (ja) | 薄膜トランジスタ | |
| JP6659255B2 (ja) | 薄膜トランジスタ | |
| JP5735306B2 (ja) | 同時両極性電界効果型トランジスタ及びその製造方法 | |
| Bang et al. | Effects of Li doping on the structural and electrical properties of solution-processed ZnO films for high-performance thin-film transistors | |
| Tsay et al. | Solution processed amorphous InGaZnO semiconductor thin films and transistors | |
| Li et al. | Preparation and characterization of solution-processed nanocrystalline p-Type CuAlO 2 thin-film transistors | |
| Hwang et al. | Effect of aluminum and gallium doping on the performance of solution-processed indium oxide thin-film transistors | |
| Tsay et al. | Optimization of Zr-doped ZnO thin films prepared by sol-gel method | |
| Xu et al. | Enhancing the performance of solution-processed thin-film transistors via laser scanning annealing | |
| KR101017494B1 (ko) | ＩｎＺｎＯ 박막 및 그 제조 방법 | |
| KR101596569B1 (ko) | 갈륨을 포함하는 p형 비정질 산화물 반도체, 및 이의 제조방법 | |
| Thomas et al. | Be-doped ZnO thin-film transistors and circuits fabricated by spray pyrolysis in air |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20200203 Year of fee payment: 5 |