KR102111021B1 - 산화물 반도체, 이를 이용한 박막 및 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따라 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)를 포함하는 산화물 반도체를 제공한다.
Description
본 발명은 산화물 반도체, 이를 이용한 박막 및 박막 트랜지스터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아연, 주석을 포함하는 산화물 반도체, 이를 이용한 박막 및 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
산화물 반도체는 비정질 실리콘에 비하여 전자 이동도가 높고, 다결정 실리콘에 비하여 저온 공정이 수월하며, 가시광선에 투명하여 박막 트랜지스터와 같은 전자 소자의 반도체층으로서 연구되고 있다.
In2O3(indium oxide), Zn-In-O(zinc indium oxide), In-Ga-O(indium gallium oxide), In-Zn-O(indium zinc oxide), In-Ga-Zn-O(indium gallium zinc oxide)와 같은 산화물 반도체의 경우 최외각의 큰 5s 궤도의 전자분포를 갖는 인듐(In) 이온이 전자의 높은 이동도를 높이는데 영향을 미치는 것으로 여겨진다. 그러나 이들 산화물 반도체는 희토류 금속인 인듐(In)을 사용함으로써 가격이 높다.
Zn-Sn-O(zinc tin oxide) 산화물 반도체는 지구상에 비교적 풍부한 원소인 주석(Sn)을 이용하므로 가격을 낮출 수 있을 뿐 아니라 인듐(In) 기반의 반도체 산화물에 비해 신뢰성이 더 양호한 것으로 보고되고 있다. 그러나 Zn-Sn-O 산화물 반도체는 인듐(In) 기반의 산화물 반도체에 비하여 낮은 이동도를 가지므로 높은 전자 이동도 특성을 나타내는 Zn-Sn-O 산화물 반도체의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 높은 전자 이동도 특성을 나타내는 Zn-Sn-O 산화물 반도체 박막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 Zn-Sn-O 산화물 반도체 박막을 이용하여 높은 전자 이동도 특성을 갖는 박막 및 이를 이용한 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)를 포함하는 산화물 반도체를 제공한다.
M/(Zn+Sn+M)의 원자비(atomic ratio)가 1-16 원자 %의 범위를 가질 수 있다.
상기 주석에 대한 아연의 원자비(Zn:Sn)는 1:1-2:1의 범위를 가질 수 있다.
전자의 유효질량이 0.220m0-0.244m0 (m0=9.11×10-31 kg)의 범위를 가질 수 있다.
산소 빈자리 형성 에너지가 8.5-12.0 eV의 범위를 가질 수 있다.
상기 산화물 반도체는 n형 반도체일 수 있다.
상기 원소(M)는 은(Ag)일 수 있다.
상기 원소(M)는 금(Au)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따라 상기 산화물 반도체로 이루어진 산화물 반도체 박막을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따라 게이트 전극, 상기 게이트 전극과 접촉하는 게이트 절연층, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되어 있는 반도체층, 상기 반도체층과 접촉하는 소스 전극 및 드레인 전극,을 포함하되, 상기 반도체층은 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)를 포함하는 산화물 반도체로 이루어진 박막 트랜지스터를 제공한다.
상기 게이트 전극이 상기 반도체층 보다 아래에 위치할 수 있다.
상기 게이트 전극이 상기 반도체층 보다 위에 위치할 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 반도체층 보다 위에 위치할 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 반도체층 보다 아래에 위치할 수 있다.
M/(Zn+Sn+M)의 원자비(atomic ratio)가 1-16 원자 %의 범위를 가질 수 있다.
상기 주석에 대한 아연(Zn:Sn)의 원자비는 1:1 -2:1의 범위를 가질 수 있다.
상기 반도체층 내의 전자의 유효질량이 0.220m0-0.244m0 (m0=9.11×10-31 kg)의 범위를 가질 수 있다.
상기 반도체층은 n형 반도체일 수 있다.
상기 원소(M)는 은(Ag)일 수 있다.
상기 원소(M)는 금(Au)일 수 있다.
Zn-Sn-O 산화물이 은(Ag) 또는 금(Au) 원자를 함유함으로써 높은 전자 이동도 특성을 나타낼 수 있다. 한편, 은(Ag) 또는 금(Au) 함유 Zn-Sn-O 산화물 반도체를 반도체층에 사용함으로써 높은 전자 이동도 특성을 갖는 박막 트랜지스터를 형성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(10)의 개략적인 단면도이다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(20)의 개략적인 단면도이다.
도 3은 또 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(30)의 개략적인 단면도이다.
도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(40)의 개략적인 단면도이다.
도 5는 Zn-Sn-Ag-O의 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 6은 Zn-Sn-Au-O의 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 7은 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량(effective mass)의 그래프이다.
도 8은 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다.
도 9는 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 In-Ga-Zn-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다.
도 10은 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 In-Ga-Zn-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다.
도 11은 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지의 그래프이다.
도 12는 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지의 그래프이다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(20)의 개략적인 단면도이다.
도 3은 또 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(30)의 개략적인 단면도이다.
도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(40)의 개략적인 단면도이다.
도 5는 Zn-Sn-Ag-O의 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 6은 Zn-Sn-Au-O의 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 7은 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량(effective mass)의 그래프이다.
도 8은 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다.
도 9는 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 In-Ga-Zn-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다.
도 10은 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 In-Ga-Zn-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다.
도 11은 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지의 그래프이다.
도 12는 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지의 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하에서 일 실시예에 따른 산화물 반도체를 상세히 설명한다.
일 실시예에 따른 산화물 반도체는 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종 이상의 원소(M)를 포함한다. 즉, 상기 산화물 반도체는 Zn-Sn-Ag-O 또는 Zn-Sn-Au-O 의 구성을 갖는다. 상기 산화물 반도체는 가시광선에 대하여 투명하다.
이때 상기 산화물 반도체의 전체 금속 원소(Zn+Sn+M)에 대한 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)의 원자비(atomic ratio) (M/(Zn+Sn+M))는 1-16 원자 %의 범위, 또는 1-4 원자 %의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 산화물 반도체에서 주석에 대한 아연(Zn:Sn)의 원자비는 1:1 내지 2:1의 범위를 가질 수 있다. 또한, 주석에 대한 산소(O:Sn)의 원자비는 4:1 내지 3.75:1의 범위를 가질 수 있다.
상기 Zn-Sn-Ag-O 또는 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자 이동도는 약 9-10 cm2/V? 범위의 값을 가질 수 있다. 상기 산화물 반도체의 은(Ag) 또는 금(Au)이 상기 원자비를 가질 때 상기 산화물 반도체의 전자 이동도(electron mobility)를 높일 수 있는 것으로 여겨진다. 이는 은(Ag) 또는 금(Au)이 인듐(In)과 비슷하게 구형의 5s 또는 6s 궤도(orbital)의 전자분포를 가짐으로써 인듐 원소와 유사한 역할을 하기 때문으로 여겨지지만, 본 발명의 메커니즘이 이에 얽매이는 것은 아니다. 상기 산화물 반도체는 n형 반도체이다.
한편, 산화물 반도체의 전자 이동도는 전자의 유효 질량에 반비례하며, 아래의 <식 1>과 같은 관계를 갖는다.
여기서 μ는 전자의 이동도, m*은 전자의 유효질량, <τ>는 전자의 평균 산란(scattering) 시간과 관련된 비례 상수이다. 상기 산화물 반도체의 전자의 유효 질량 m*은 0.220 m0 - 0.244 m0 (m0=9.11×10-31 kg)의 범위를 가질 수 있다.
한편, 산화물 반도체 내에 산소의 빈자리(oxygen vacancy)가 존재한다. 산소의 빈자리는 금속 산화물에서 금속과 산소의 결합이 있어야 할 자리에 산소가 결핍되어 생긴 결함을 의미한다. 산화물 반도체 내에서 산소의 빈자리는 산소와의 결합에 참여해야 할 금속의 가전자들을 산소 빈자리 결함에 의해 잉여 전자로 남게 하여 산화물 반도체 내의 전자의 밀도를 높여서 전자의 전도도를 높일 수 있는 것으로 여겨진다.
따라서 산화물 반도체 내의 산소의 빈자리 형성 에너지가 낮아지면 산소의 빈자리를 많이 형성할 수 있어서 전자의 전도도가 높아질 수 있음을 유추할 수 있다.
산소 빈자리의 형성에너지는 다음의 <식 2>에 의해 계산 가능하다.
ΔE(α)= E(α) - E(ideal) + μ0 <식 2>
<식 2>에서 ΔE(α)는 산소 빈자리의 형성에너지이고, E(α)는 산소 빈자리를 포함한 경우의 단위셀의 총에너지, E(ideal)은 산소 빈자리 결함을 포함하고 있지 않은 경우의 단위셀의 총에너지, μ0는 산소의 기체 상태의 화학 포텐셜 에너지를 나타낸다. 단위셀은 최소 격자 단위를 나타낸다. 상기 산화물 반도체의 산소 빈자리의 형성에너지는 8.5-12.0 eV의 범위를 가질 수 있다.
상기 산화물 반도체는 박막 트랜지스터, 발광 소자, 태양 전지, 광기록 소자 등과 같은 전자 소자에 적용하도록 박막으로 형성할 수 있다.
상기 산화물 반도체를 스퍼터링(sputtering), PLD(pulsed laser deposition), ALD(atomic layer deposition), MOCVD(metal orgnaic chemical vapor deposition) 등의 진공 공정을 이용하여 박막으로 형성할 수 있다. 또는 상기 산화물 반도체를 졸-겔(sol-gel)법, 유기금속 분해법(MOD: Metal organic decomposition), 나노입자 분산 용액법, 화학욕조법(CBD: chemical bath depostion)과 같은 용액 공정을 통하여 박막으로 형성할 수 있다.
이하에서 실시예들에 따른 산화물 반도체로 이루어진 박막 트랜지스터를 상세히 설명한다.
상기 박막 트랜지스터는 게이트 전극, 상기 게이트 전극과 접촉하는 게이트 절연층, 상기 게이트 절연층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되어 있는 반도체층, 상기 반도체층과 접촉하는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다. 이때 상기 반도체층은 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)를 포함하는 산화물 반도체로 이루어질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(10)의 개략적인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 박막 트랜지스터(10)는 기판(11), 게이트 전극(13), 게이트 절연막(15), 반도체층(17), 소스 전극 및 게이트 전극(19)을 포함한다.
기판(11)은 실리콘 산화물을 주성분으로 하는 투명한 유리로 이루어질 수 있다. 그러나 기판(11)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 불투명한 재질도 가능하고 플라스틱, 실리콘 또는 금속 등 다양한 재질을 이용할 수 있다. 한편, 박막 트랜지스터가 구부러지거나 접힐 수 있도록 기판(11)은 구부러질 수 있는 플라스틱 필름 또는 박막 유리로 구비될 수도 있다.
한편, 기판(11)으로부터 불순물 이온의 확산, 수분이나 외기의 침투를 방지하고, 표면을 평탄화하기 위하여 기판(11)의 상면에 베리어층, 블록킹층, 및/또는 버퍼층과 같은 보조층(미도시)이 구비될 수 있다. 보조층(미도시)은 실리콘산화물 및/또는 실리콘질화물 등의 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 전극(13)이 기판(11) 위에 형성되어 있다. 게이트 전극(13)은 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu) 또는 이들의 2종 이상의 합금과 같은 금속, 또는 주석 산화물(Tin Oxide), 아연 산화물(Zinc Oxide), 인듐 산화물(Indium Oxide), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), GZO(gallium Zinc Oxide), IGO(Indium Gallium Oxide), AZO(Aluminum Znic Oxid)와 같은 전도성 산화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
게이트 절연막(15)이 게이트 전극(13) 위에 형성되어 있다. 게이트 절연막(15)은 SiO2, SiNx, SiON, HfO2, Al2O3 -, Y2O3, Ta2O5 등과 같은 유전체 또는 고유전율 유전체 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
반도체층(17)이 게이트 절연막(15) 위에 형성되어 있다. 반도체층(17)은 위에서 설명한 바와 같은 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종 이상의 원소(M)를 포함하는 산화물 반도체로 이루어질 수 있다. 즉, Zn-Sn-Ag-O 또는 Zn-Sn-Au-O 의 구성을 갖는 산화물 반도체로 이루어질 수 있다. 이때 상기 산화물 반도체의 전체 원소(Zn+Sn+M)에 대한 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)의 원자비(atomic ratio) (M/(Zn+Sn+M))는 1-16 원자 % 의 범위, 또는 1-4 원자 %의 범위를 가질 수 있다. 상기 산화물 반도체에서 주석에 대한 아연(Zn:Sn)의 원자비는 1:1 내지 2:1의 범위를 가질 수 있다. 또한, 주석에 대한 산소(O:Sn)의 원자비는 4:1 내지 3.75:1의 범위를 가질 수 있다. 상기 Zn-Sn-Ag-O 또는 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자 이동도는 약 9-10 cm2/V? 범위의 값을 가질 수 있다.
소스 전극 및 게이트 전극(19)이 반도체층(17) 위에 형성되어 있다. 소스 전극 및 게이트 전극(19)은 게이트 전극과 마찬가지로 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 리튬(Li), 칼슘(Ca), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu) 또는 이들의 합금과 같은 금속 또는 주석 산화물, 아연 산화물, 인듐 산화물, ITO, IZO, GZO, IGO, AZO와 같은 전도성 산화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(20)의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 박막 트랜지스터(20)는 소스 전극 및 게이트 전극(19)이 반도체층(27)의 아래에 위치한 점을 제외하고 도 1의 박막 트랜지스터(10)와 동일한 구성을 갖는다. 도 1 및 도 2의 박막 트랜지스터(10, 20)은 게이트 전극이 반도체층 보다 아래에 위치한 바텀 게이트 구조이다.
도 3은 또 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(30)의 개략적인 단면도이다. 도 3을 참조하면, 박막 트랜지스터(30)는 소스 전극 및 게이트 전극(39)이 기판(11) 위에 위치하고, 반도체층(37)이 소스 전극 및 게이트 전극(39) 및 기판(11) 위에 위치한다. 반도체층(37) 위에 게이트 전극(33)이 존재한다. 게이트 전극(33), 게이트 절연막(35), 반도체층(37) 및 소스 전극 및 게이트 전극(39)의 물질은 도 1에서 설명한 게이트 전극(13), 게이트 절연막(15), 반도체층(17) 및 소스 전극 및 게이트 전극(19)의 물질에서 설명한 바와 같다.
도 4는 또 다른 일 실시예에 따른 산화물 반도체 박막 트랜지스터(40)의 개략적인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 박막 트랜지스터(40)는 소스 전극 및 게이트 전극(49)이 반도체층(47)의 위에 위치하는 점을 제외하고 도 3의 박막 트랜지스터(30)와 동일한 구성을 갖는다. 도 3 및 도 4의 박막 트랜지스터(30, 40)는 게이트 전극이 반도체층 보다 위에 위치한 탑 게이트 구조이다.
본 발명의 실시예에서 설명한 산화물 반도체는 도 1 내지 도 4와 관련하여 설명한 박막 트랜지스터 이외에도 다양한 구조의 박막 트랜지스터에 적용될 수 있다. 이러한 박막 트랜지스터는 LED, OLED 와 같은 표시장치에서 스위칭 또는 구동 트랜지스터 등에 사용될 수 있다. 또한, 이러한 박막 트랜지스터는 다양한 전자 소자에 적용될 수 있다.
Zn
-
Sn
-
Ag
-O 및
Zn
-
Sn
-
Au
-O 산화물 반도체의 특성 시뮬레이션
Zn-Sn-Ag-O 및 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체를 VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)를 사용하여 원자 스케일로 시뮬레이션하였다. VASP 시뮬레이션에서는 전자 구조 계산을 통하여 복수의 원자를 갖는 분자의 특성을 시뮬레이션할 수 있다.
본 시뮬레이션에서 단위셀을 산정하였고, 단위셀이 반복되는 것으로 가정하였다. 여기서 단위셀(unit cell)이란 원자 스케일 시뮬레이션 실행에 있어서 최소 격자 단위를 의미한다. 한편, Zn-Sn-Ag-O 및 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체를 비정질 구조로 시뮬레이션하였다. Zn-Sn-Ag-O 및 Zn-Sn-Au-O의 산화물 반도체에서 단위셀 내에 Sn의 원자수는 16이고, O의 원자수는 63이고, Zn과 Ag 의 원자수의 합 또는 Zn과 Au의 원자수의 합을 32로 가정하였다. 즉, Zn:Sn 의 비를 2:1 로 가정하였다.
도 5는 Zn-Sn-Ag-O의 시뮬레이션 다이어그램이고, 도 6은 Zn-Sn-Au-O의 시뮬레이션 다이어그램이다. 도 5 및 도 6의 Zn-Sn-Ag-O 및 Zn-Sn-Au-O의 산화물 반도체는 Ag 또는 Au의 원자수가 2인 경우이다.
도 7은 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량(effective mass)의 그래프이다. 도 7을 참조하면, 단위셀 내의 Ag 원자수가 증가함에 따라 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 전자의 유효질량이 지속적으로 감소하는 것으로 나타난다. 도 7의 그래프에서 전자의 유효질량의 단위는 전자의 정지질량이며, 전자의 정지질량(m0)은 9.11×10-31 kg 이다. 앞에서 살펴본 바와 같이 전자의 유효질량과 전자의 이동도는 서로 반비례하므로 Ag의 원자수 또는 첨가량이 증가함에 따라 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 전자 이동도가 증가할 것임을 유추할 수 있다.
도 8은 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다. 도 8을 참조하면, 단위셀 내의 Au 원자수가 증가함에 따라 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 유효질량이 감소하다가 다시 증가하는 것으로 나타난다. 따라서 Au의 원자수 또는 첨가량이 증가함에 따라 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자 이동도가 증가하다가 감소할 것임을 유추할 수 있다.
도 9는 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 In-Ga-Zn-Ag-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다. 도 9를 참조하면, 단위셀 내의 Ag 원자수가 증가함에 따라 In-Ga-Zn-Ag-O 산화물 반도체의 전자의 유효질량이 감소하다가 다시 증가하는 것으로 나타난다. 따라서 Ag의 원자수 또는 첨가량이 증가함에 따라 In-Ga-Zn-Ag-O 산화물 반도체의 전자 이동도가 증가하다가 감소할 것임을 유추할 수 있다.
도 10은 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 In-Ga-Zn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 유효 질량의 그래프이다. 도 10을 참조하면, 단위셀 내의 Au 원자수가 증가함에 따라 In-Ga-Zn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 유효질량이 지속적으로 증가하는 것으로 나타난다. 따라서 Au의 원자수 또는 첨가량이 증가함에 따라 In-Ga-Zn-Au-O 산화물 반도체의 전자 이동도가 지속적으로 감소할 것임을 유추할 수 있다.
도 7 및 도 9의 그래프를 비교하면, Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체가 In-Ga-Zn-Ag-O 산화물 반도체과 비교하여 전자 이동도가 더 높을 것임을 유추할 수 있다. 또한, 도 8 및 도 10의 그래프를 비교하면, Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체가 In-Ga-Zn-Au-O 산화물 반도체과 비교하여 전자 이동도가 더 높을 것임을 유추할 수 있다.
도 11은 단위셀 내의 Ag 원자수에 따른 Zn-Sn-Ag-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지의 그래프이고, 도 12는 단위셀 내의 Au 원자수에 따른 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지의 그래프이다.
도 11 및 도 12의 그래프를 참조하면, 단위셀 내의 Ag 또는 Au 원자수가 증가함에 따라 Zn-Sn-Ag-O 또는 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 산소의 빈자리 형성 에너지가 감소하는 것으로 나타난다. 특히, Ag의 경우가 Au의 경우보다 산소의 빈자리 형성 에너지가 더욱 감소하는 것으로 나타난다.
앞에서 설명한 바와 같이 산화물 반도체 내의 산소의 빈자리 형성 에너지가 낮아지면 산소의 빈자리를 많이 형성할 수 있고, 이 산소의 빈자리를 이용하여 전자가 이동할 수 있으므로 도 11 및 도 12의 그래프로부터 Zn-Sn-Ag-O 및 Zn-Sn-Au-O 산화물 반도체의 전자의 이동도가 높아질 수 있음을 다시 한번 유추할 수 있다.
10, 20, 30, 40: 박막 트랜지스터
11: 기판
13, 33: 게이트 전극
15, 35: 게이트 절연막
17, 27, 37, 47: 반도체층
19, 39, 49: 소스 전극 및 게이트 전극
11: 기판
13, 33: 게이트 전극
15, 35: 게이트 절연막
17, 27, 37, 47: 반도체층
19, 39, 49: 소스 전극 및 게이트 전극
Claims (20)
- 아연(Zn);
주석(Sn); 및
은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)를 포함하고,
전자의 유효질량이 0.220m0-0.244m0 (m0=9.11×10-31 kg)의 범위를 갖는 산화물 반도체. - 제1 항에 있어서, M/(Zn+Sn+M)의 원자비(atomic ratio)가 1-16 원자%의 범위를 갖는 산화물 반도체.
- 제1 항에 있어서, 상기 주석에 대한 아연의 원자비(Zn:Sn)는 1:1-2:1의 범위를 갖는 산화물 반도체.
- 삭제
- 제1 항에 있어서, 산소 빈자리 형성 에너지가 8.5-12.0 eV의 범위를 갖는 산화물 반도체.
- 제1 항에 있어서, n형 반도체인 산화물 반도체.
- 제1 항에 있어서, 상기 원소(M)는 은(Ag)인 산화물 반도체.
- 제1 항에 있어서, 상기 원소(M)는 금(Au)인 산화물 반도체.
- 제1 항 내지 제3 항 및 제5 항 내지 제7 항 중의 어느 한 항의 산화물 반도체로 이루어진 산화물 반도체 박막.
- 게이트 전극;
상기 게이트 전극과 접촉하는 게이트 절연층;
상기 게이트 절연층에 의하여 상기 게이트 전극과 절연되어 있는 반도체층;
상기 반도체층과 접촉하는 소스 전극 및 드레인 전극;을 포함하되,
상기 반도체층은 아연(Zn), 주석(Sn), 및 은(Ag) 및 금(Au) 중 1종의 원소(M)를 포함하는 산화물 반도체로 이루어지고,
상기 반도체층 내의 전자의 유효질량이 0.220m0-0.244m0 (m0=9.11×10-31 kg)의 범위를 갖는 박막 트랜지스터. - 제10 항에 있어서, 상기 게이트 전극이 상기 반도체층 보다 아래에 위치한 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, 상기 게이트 전극이 상기 반도체층 보다 위에 위치한 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 반도체층 보다 위에 위치한 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 반도체층 보다 아래에 위치한 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, M/(Zn+Sn+M)의 원자비(atomic ratio)가 1-16 원자 %의 범위를 갖는 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, 상기 주석에 대한 아연의 원자비(Zn:Sn)는 1:1-2:1의 범위를 갖는 박막 트랜지스터.
- 삭제
- 제10 항에 있어서, 상기 반도체층은 n형 반도체인 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, 상기 원소(M)는 은(Ag)인 박막 트랜지스터.
- 제10 항에 있어서, 상기 원소(M)는 금(Au)인 박막 트랜지스터.
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