사진을 통해 전도대 아래 2eV 이내의 InGaZnO 결함 상태 정량 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13407(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구에서는 전자 구조의 결함 상태 분포 및 양과 관련된 확장된 결함 특성의 광유도 전류 측정에서 산소 분압의 기능을 조사합니다. 페르미 준위는 TFT 구조에 음의 게이트 바이어스를 적용하여 조정되었으며 측정 가능한 활성화 에너지 범위는 2.0eV 미만으로 확장되었습니다. 밀도 범함수 이론에 기초한 계산은 결함 특성의 변화와 산소 분압의 함수로서 얕은 수준과 깊은 수준에서 결함의 역할을 조사하는 데 사용됩니다. 음의 게이트 바이어스 하에서 이동성 및 임계 전압 이동과 같은 장치 특성은 얕은 레벨 대 깊은 레벨 결함 밀도의 비율과 선형 상관관계를 나타냈습니다. 얕은 수준의 결함과 깊은 수준의 결함은 유기적으로 연관되어 있으며, 소자 특성을 이해하려면 두 결함을 모두 고려해야 합니다.

사물인터넷(IoT) 기술의 지속적인 성장으로 인해 각종 트랜지스터, 태양전지, 발광다이오드, 센서 등이 소형화, 집적화되고 있습니다1. 이에 따라 생산공정이 다양해지고, 장치의 구조가 복잡해지며, 불량률이 증가하고 있다. 소자에 사용되는 다양한 재료 중 비정질 산화물 반도체(AOS)는 기존 실리콘 기반 TFT에 비해 우수한 전기적 특성, 저온 제조 공정, 높은 광학 투명성으로 인해 반도체의 필수 화합물입니다2,3. 따라서 공석, 삽입 및 대체품은 결함 요소4,5로 작용할 수 있습니다. 이러한 산화물 반도체 결함은 에너지 수준에 따라 도너 또는 트랩 사이트로 다르게 작용할 수 있습니다6. 전자 트랩 역할을 하는 결함은 국지적 장벽을 생성하고 캐리어 산란을 증가시키며 드리프트 전류를 방해하고 확산 전류를 유도합니다7. 따라서 소자의 특성을 분석하기 위해서는 결함밀도와 활성화에너지를 정량적으로 측정하는 것이 중요하다.

AOS 박막의 결함은 여러 에너지 수준에 존재할 수 있으며 이전에 보고된 것보다 더 많은 결함이 있을 수 있습니다8,9. 그러나 물질에 따른 전기적, 광학적 반응성의 차이로 인해 결함 밀도와 활성화 에너지의 측정 가능한 범위가 제한됩니다10. 또한, 소자에 존재한다고 판단되는 각 구조층 사이의 계면 상태 결함을 직접적으로 분석할 수 있는 적절한 방법론은 없다. 예를 들어, 차지 펌프 방식을 사용하면 게이트 전압을 소자에 펄스로 인가하여 모델링을 통해 결함 밀도와 활성화 에너지를 측정할 수 있습니다. 그러나 게이트 전압에 따른 밴드 휘어짐은 장치 구조 및 채널 특성에 따라 달라지므로 측정 분해능도 달라집니다. 심층 레벨 과도 분광법(DLTS)은 온도에 따른 충전/방전 중 커패시턴스의 변화를 분석하여 결함을 정량적으로 측정할 수도 있습니다11,12. 이 방법에서는 정확한 정전용량을 측정하기 위해 전극을 수직 쇼트키 접촉으로 만들어야 하기 때문에 TFT 구조의 소자 특성과 직접적인 비교가 어렵다. 지난 연구에서 우리는 최소 전도대에서 불과 수백 meV 떨어진 곳에서 결함을 정량적으로 측정할 수 있었습니다13. 따라서, 밴드갭의 다양한 레벨에 분포하는 결함을 정량적으로 측정할 수 있는 방법이 필요하다.

본 논문에서는 광유도 전류 과도 분광법(PICTS)을 사용하여 정량 분석 ​​범위를 확장하기 위해 음의 게이트 바이어스를 적용하여 a-IGZO TFT의 페르미 준위를 조정합니다. 측정을 통해 얻은 대량의 데이터를 분석하기 위해 고해상도, 빠른 분석, 신뢰성을 갖춘 향상된 기계 학습 기술이 사용되었습니다. 또한 밀도 범함수 이론 계산을 통해 결함 상태의 물리적 기원을 조사했습니다. 측정된 결함을 통해 소자의 특성을 분석하고, 결함의 역할을 조사하였다.