칼코겐 화합물을 이용한 광 소자 및 전기 소자의 연구
Study of Optical device & Electric device With Chalcogen alloy
- 주제(키워드) chalcogen , 박막 트랜지스터 , CuInSe2 , Ge2Sb2Te5
- 발행기관 서강대학교 대학원 물리학과
- 지도교수 조규만
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 박사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000044906
- 본문언어 한국어
초록/요약
칼코겐(chalcogen) 화합물을 이용하여 광 소자 및 전기 소자에 관한 연구를 수행하였다. 광 소자 연구에서는 Cu2Se 와 In2Se3의 이원 계 칼코겐나이드 (chalcogenide)를 이용 하여 태양 전지 소재로 활발히 연구되고 있는 CuInSe2 제작하고 이를 광 활성 층(Photo active layer)으로 이용하는 광/전 변환 칼코겐 광 박막 트랜지스터(Photo Thin Film Transistor)를 연구, 제작하였다. 전기소자 연구에서는 Ge2Sb2Te5, GeTe 의 삼원 계 와 이원 계 칼코게나이드를 이 이용하여 전류정류작용(Current rectification function)을 갖는 상변화 칼코겐 전기 트랜지스터와 칼코겐 전기 트랜지스터를 연구, 제작하였다. 먼저 광활성층 CuInSe2제작은 열 증착기에서 Cu2Se와 In2Se3의 칼코겐나이드를 차례로 증착 시키는 Three Step Process를 이용하였다. 또한 Cu2Se 와 In2Se3의 증착 양을 조절하여 n, p 캐리어(carrier) type 의 CIS박막을 선택적으로 제작하였다. 제작된 CuInSe2박막의 Energy band gap (EG)은 1.05 eV~1.1 eV로 계산되었고, X선 회절 측정에서 다 결정질 구조로 제작된 것을 확인하였다. CuInSe2박막에 빛을 조사해 측정한 전류-전압(I–V) 실험에서 n-type CuInSe2의 광전류(photo current)와 암전류(dark current)의 비율은 ~102 이상으로 측정되었으며, p-type CuInSe2 은 ~2로 측정되었다. 이러한 광전류와 암전류의 비율이 높은 n-type CuInSe2를 칼코겐 광 트랜지스터의 광활성층으로 이용하였고, p-type CuInSe2를 기판으로 이용하였다. p-type CuInSe2와 n-type CuInSe2로 제작한 pn 동종접합(Homo-junction) 칼코겐 광 트랜지스터는 전류 정류작용의 특성을 보였으며, 빛이 조사되었을 경우 n-type CuInSe2 에서 발생한 광 전류에 의해 트랜지스터의 출력전류가 증가하였다. 또한, 음의 Gate전압 변화에 의해 트랜지스터의 출력전류가 변화하는 전형적인 p 채널 증가형 TFT의 특성을 보였다. 전기 소자의 연구에서는 상변화 메모리(phase change memory) 소재인 삼원 계 칼코겐 화합물Ge2Sb2Te5을 이용한 칼코겐 박막 트랜지스터에 관한 연구를 수행하였다. 이러한 칼코겐 트랜지스터는 제작 방법에 따라 상변화 칼코겐 트랜지스터와 칼코겐 트랜지스터로 나누어 진다. 먼저, 상변화 칼코겐 박막 트랜지스터는 별도의 도핑(doping)을 하지 않고 sputtering 시 제작된 상태인p-type 비정질 상Ge2Sb2Te5 과 Ar laser를 이용해 joule heating 방법으로 제작한 결정질(crystalline) 상 Ge2Sb2Te5를 이용하였다. 이러한 결정질 상 Ge2Sb2Te5와 비정질 상 Ge2Sb2Te5의 접합 시Fermi level 과 carrier 농도 차이에서 유도되는 전위장벽을 이용하여 전류정류 기능을 갖은 상변화 칼코겐 전기 트랜지스터를 연구, 제작하였다. 제작된 상변화 칼코겐 전기 트랜지스터는 전류정류작용과 함께 음의 Gate 전압변화에 따라 출력 전류가 변화하는 p 채널 증가형 트랜지스터의 특성을 보였다. 다음으로 상변화 칼코겐 전기 트랜지스터와 같은 소재를 이용한 칼코겐 전기 트랜지스터는 p-type Ge2Sb2Te5`에 Oxygen을 도핑(doping) 시켜 n-type전도특성을 갖는 Ge-Sb-Te 계열의 소재를 개발하고 이를 이용한 pn Homo-Junction의 구조로 제작하였다. Oxygen을 도핑 시켜 제작한 n-type Ge-Sb-Te는 비정질 상과 결정질 상 모두 기존의 p-type의 Ge2Sb2Te5보다 넓은 에너지 밴드 갭을 가지고 있는 것으로 측정되었다. 따라서n-type Ge-Sb-Te 과 밴드 갭 정합을 위하여 새로운 밴드 갭을 가지는 p-type Ge-Sb-Te를 연구 개발하였다. P-type Ge-Sb-Te는 Oxygen 도핑 된 n-type Ge-Sb-Te위에 p-type의 GeTe를 증착 시켜 stack layer로 제작하고 이를 열처리하여 p-type 전도 특성을 갖는 Ge-Sb-Te를 제작하였다. 이러한 n, p-type Ge-Sb-Te를 이용하여 제작한 pn Homo-junction칼코겐 전기 트랜지스터는 앞선 상변화 칼코겐 전기 트랜지스터보다 높은 ~102의 정류비를 가지고 있는 것으로 측정되었으며, 음의 Gate 전압변화에 따라 출력 전류가 변화하는 p 채널 증가형 트랜지스터의 특성을 보였다. 마지막으로 칼코겐 화합물을 이용한 소자 제작과는 별도로 이원 계 칼코겐 화합물As2S3 비정질 박막의 광 유도에 의한 광 팽창 등의 표면 변화를 optical microscope과 CCD(Charge Coupled Device)를 이용하여 정성적으로 관찰하였다. As2S3 의 표변 변화 관찰 시 As2S3 의sub 밴드 갭에 해당하는 633nm 의 파장을 갖는 He-Ne laser 빛살을 조사하여 광 팽창 등의 표면 변화를 유도 하였다. 이러한 관찰을 위하여 As2S3를 광섬유 위에 증착 시킨 후 이를 이용하여 별도의 optics 없이 이상적인 Gaussian 빛살을 As2S3 에 조사하였다. 표면 관찰 시 조사 되는 빛살의 편광 상태와 조사시간 그리고 optical chopper 사용에 따라 실험 조건을 구분하였다. As2S3 박막의 표면변화는 선형편광 된 빛살을 조사했을 때가 원형편광 된 빛살을 조사했을 때보다 변화의 정도가 심하였으며, Optical chopper를 사용했을 경우에는 사용하지 않은 경우보다 변화의 정도가 큰 것으로 관찰되었다.
more초록/요약
We have studied optical device and electric device using chalcogen alloys. Our studied can be divided in to with four subjects. First, we propose chalcogen-based photo-thin film transistor (P_TFT) using CuInSe2 (CIS) homo junction. By using a Three Step Process (TSP), we fabricated n- and p-type CIS films. Optical and electrical properties of the fabricated CIS films are measured to be suitable for homo-junction. For the fabrication of a P_TFT, n-type CIS generating higher photo current was used for a channel layer whereas p-type CIS with higher carrier density was used for source and drain. The fabricated transistor exhibited typical transistor operation of p-channel enhancement mode and current increase with light. Second, a technique to develop an un-doped homo-junction Ge2Sb2Te5 thin-film transistor (GST_TFT) on glass is described. The GST_TFT is based on ternary chalcogen alloy amorphous Ge2Sb2Te5 (α-GST) and crystalline Ge2Sb2Te5 (χ-GST). The α-GST and the χ-GST are used as a channel layer and ohmic contact layer, respectively. In the GST_TFT, We realize electric rectification by the energy difference from the Fermi-level of the α-GST and the Fermi-level of the χ-GST. The GST_TFT shows the gate characteristics of typical p channel enhancement mode. Third, a technique for chalcogenide thin film transistor (ChG TFT) using oxygenated n-type and p-type phase change materials is develop. By the oxygen doping into Ge2Sb2Te5 (GST) in a range of 10%~35%, the oxygen impurities induced by destabilization of the electron killers in GST and resultantly n-type Ox-GST was realized. For a p-type Ox-GST, by GeTe deposition with GeTe/Ox-GST ratio more than 0.3 and subsequent thermal diffusion, the diffused film showed the p-type conductivity. With n-type and p-type Ox-GST films, the doped Ox-GST TFT was developed. The rectification ratio was ~102, and was increased by the p-n junction structure. And The Ox-GST TFT shows the clear gate characteristics of typical p channel enhancement mode. Fourth, we studied surface various changes which photo expansion of chalcogenide amorphous As2S3 thin film on the fiber. According to the polarize beam condition which is exposure in the As2S3 thin film with photo expansion and surface various was different. And when using optical chopper, a more change was observed in surface of As2S3 thin film. Consequently, intensity modulation by chopper was a perturbation effect which various change of thin films.
more목차
제1장 서론 = 1
제2장 칼코겐 반도체 = 4
제1절 칼코겐과 칼코겐 화합물 = 4
제2절 반도체 트랜지스터 소자 = 8
제3장 광/전 변환 칼코겐 광 트랜지스터 = 11
제1절 서론 = 11
제2절 칼코겐 광 트랜지스터 제작 = 13
(1) 광/전 칼코겐 박막 제작 및 특성 = 13
(2) 유리기판 위 칼코겐 광 트랜지스터 제작 = 35
제3절 결과 및 고찰 = 50
제4절 결론 = 57
제4장 상변화 칼코겐 전기 트랜지스터 = 59
제1절 서론 = 59
제2절 상변화 칼코겐 트랜지스터 제작 = 61
(1) 상변화 칼코겐 박막의 제작 및 특성 = 61
(2) 유리기판 위 상변화 칼코겐 트랜지스터 제작 = 72
제3절 결과 및 고찰 = 79
제4절 결론 = 86
제5장 칼코겐 전기 트랜지스터 = 88
제1절 서론 = 88
제2절 칼코겐 전기 트랜지스터 제작 = 91
(1) 칼코겐 박막의 제작 및 특성 = 91
(2) 유리 기판 위 칼코겐 트랜지스터 제작 = 108
제3절 결과 및 고찰 = 120
제4절 결론 = 126
제6장 As₂S₃의 광 유도에 의한 표면 변화 관찰 = 128
제1절 서론 = 128
제2절 As₂S₃ 박막의 표면 변화 관찰 = 129
(1) As₂S₃ 박막 제작 = 129
(2) 실험 구성 및 방법 = 130
(3) As₂S₃ 박막의 표면 변화 관찰 = 132
제3절 결론 = 148
제7장 결론 = 151
참고문헌 = 158
표 및 그림목록
[표 3-1] CuInSe₂ 의 물리적 특성 = 14
[표 3-2] In₂Se₃ 와 Cu₂Se 의 물리적 특성 = 16
[표 3-3] CIS 제작 시 In₂Se₃ 와 Cu₂Se 증착 비율 = 20
[표 3-4] In₂Se₃ 와 Cu₂Se 의 비율에 따른 전기적 특성 = 27
[표 4-1] 4 장에서의 GST 의 약어 및 표현 = 60
[표 4-2] GST 의 전기적 특성 = 63
[표 4-3] GST 에너지 밴드 다이어그램의 기호 및 설명 = 80
[표 5-1] 5 장에서의 GST 약어 및 표현 = 90
[표 5-2] GST 증착 시의 Ar 과 O₂ 의 비율 = 91
[표 5-3] FCC 구조 χ-Ox-GST 의 격자상수 (a=b=c) = 94
[표 5-4] HCP 구조 χ-Ox-GST 의 격자상수 (a=b≠c) = 95
[표 5-5] O₂ 함량에 따른 χ-Ox-GST 박막의 Hall 측정 (열처리 온도: 200℃) = 99
[표 5-6] GeTe 의 물리적 특성 = 103
[표 5-7] GeTe/Ox-GST stacked layer 의 열처리 후 Hall 측정 = 104
[표 6-1] As₂S₃ 박막의 실험 조건 = 132
[그림 2-1] 각각의 준위에 따른 chalcogen 과 tetrahedral 전자 상태 = 4
[그림 2-2] 결정질 반도체와 비정질 반도체의 상태 밀도 함수 = 6
[그림 2-3] n-type 2 단자 MOS capacitor = 9
[그림 2-4] p 채널 증가형 MOSFET 와 바이어스 구성 = 10
[그림 3-1] 이용목적에 따른 태양광 소재 분류 = 13
[그림 3-2] 물성에 따른 태양광 소재 분류 = 14
[그림 3-3] In₂Se₃ 의 투과율과 흡수율 = 17
[그림 3-4] Cu₂Se 의 투과율과 흡수율 = 18
[그림 3-5] Three Step Process = 18
[그림 3-6] 열 증착기의 개략도 = 19
[그림 3-7] TSP CIS 투과율 (TSP1 ~3) = 21
[그림 3-8] TSP CIS 투과율 (TSP4 ~6) = 21
[그림 3-9] TSP CIS 흡수율 (TSP1 ~3) = 22
[그림 3-10] TSP CIS 흡수율 (TSP4 ~6) = 22
[그림 3-11] CIS 흡수계수 (TSP1~3) = 23
[그림 3-12] CIS 흡수계수 (TSP4~6) = 24
[그림 3-13] eV vs. (ahn )₂ (TSP1~3) = 25
[그림 3-14] eV vs. (ahn )₂ (TSP4~6) = 25
[그림 3-15] In₂Se₃ 와 Cu₂Se 증착 비율에 따른 캐리어 농도와 비저항 = 28
[그림 3-16] n, p- CIS 의 투과율 = 29
[그림 3-17] n, p- CIS의 흡수계수 = 30
[그림 3-18] n, p-CIS 의 eV vs. (ahn )₂ = 31
[그림 3-19] n-CIS 의 XRD 결과 = 32
[그림 3-20] p-CIS 의 XRD 결과 = 32
[그림 3-21] n-CIS SEM 사진 = 33
[그림 3-22] p-CIS SEM 사진 = 34
[그림 3-23] InGaAs/InGaAsP/InP 이종접합 bipolar 광 트랜지스터. = 36
[그림 3-24] 습식 식각 된 In₂Se₃ 와 Cu₂Se pattern = 38
[그림 3-25] 광 전도도 측정을 위한 소자 제작 1 = 39
[그림 3-26] 광 전도도 측정을 위한 소자 제작 2 = 40
[그림 3-27] 광 전도도 측정을 위한 칼코겐 소자 단면 = 41
[그림 3-28] 광 전도도 측정 개략도 = 41
[그림 3-29] n-CIS 의 광 전도도 측정 = 42
[그림 3-30] p-CIS 의 광 전도도 측정 = 42
[그림 3-31] 칼코겐 광 트랜지스터 제작 공정 1 = 44
[그림 3-32] 칼코겐 광 트랜지스터 제작 공정 2 = 45
[그림 3-33] 칼코겐 광 트랜지스터 제작 공정 3 = 46
[그림 3-34] 칼코겐 광 트랜지스터 제작 공정 4 = 47
[그림 3-35] 칼코겐 광 트랜지스터 제작 공정 5 = 48
[그림 3-36] 완성된 칼코겐 광 트랜지스터 = 49
[그림 3-37] 칼코겐 광 박막의 전류정류 특성 실험 개략도 = 50
[그림 3-38] 칼코겐 광 박막의 전류정류 특성 = 51
[그림 3-39] n, p-type 칼코겐 광 박막의 에너지 밴드 다이어그램. = 52
[그림 3-40] 칼코겐 광 트랜지스터의 빛에 의한 출력 특성 = 55
[그림 3-41] 칼코겐 광 트랜지스터의 출력 특성 = 56
[그림 4-1] χ-GST 과 α-GST 의 에너지 밴드 다이어그램 = 61
[그림 4-2] χ-GST 과 α-GST 의 원자구조 = 62
[그림 4-3] 상변화 칼코겐 소재 제작용 sputter 의 개략도 = 63
[그림 4-4] α-GST 의 투과율과 흡수율 = 64
[그림 4-5] χ-GST 의 XRD 결과 (~200℃ 열처리) = 67
[그림 4-6] χ-GST 의 XRD 결과 (~400℃ 열처리) = 67
[그림 4-7] 상변화 칼코겐 박막의 전류정류 특성 실험 개략도 = 69
[그림 4-8] 100 K Ω χ-GST 와 α-GST 접합 구조의 I-V 결과 = 70
[그림 4-9] 10 K Ω χ-GST 와 α-GST 접합 구조의 I-V 결과 = 70
[그림 4-10] 2.5 K Ω χ-GST 와 α-GST 접합 구조와 동시에 그려진 I-V 결과 = 71
[그림 4-11] 상변화 칼코겐 트랜지스터 제작 공정 1 = 72
[그림 4-12] 상변화 칼코겐 트랜지스터 제작 공정 2 = 73
[그림 4-13] 건식 식각 된 GST 의 식각 율 = 75
[그림 4-14] 상변화 칼코겐 트랜지스터 제작 공정 3 = 76
[그림 4-15] 상변화 칼코겐 트랜지스터 제작 공정 4 = 77
[그림 4-16] 제작된 상변화 칼코겐 트랜지스터 = 78
[그림 4-17] 완성된 상변화 칼코겐 트랜지스터의 source-draingate 이미지 = 78
[그림 4-18] χ-GST 와 α-GST 에너지 밴드 다이어그램 = 80
[그림 4-19] 상변화 칼코겐 트랜지스터의 전류정류 특성 = 82
[그림 4-20] 상변화 칼코겐 트랜지스터의 출력 특성 = 83
[그림 4-21] 상변화 칼코겐 트랜지스터의 전달 특성 = 84
[그림 4-22] 상변화 칼코겐 트랜지스터의 bias 구성 = 85
[그림 5-1] 열처리 후 의 Ox-GST 의 XRD 측정 결과 = 92
[그림 5-2] χ-Ox-GST 의 I-V 특성 1 = 96
[그림 5-3] χ-Ox-GST 의 I-V 특성 2 = 97
[그림 5-4] Ox-GST 의 Auger Electron Spectroscopy (AES) = 98
[그림 5-5] Oxygen 농도에 따른 α-Ox-GST 의 투과 특성 = 100
[그림 5-6] χ-Ox-GST 의 투과 특성 곡선 = 101
[그림 5-7] GeTe 박막의 광 투과 특성 = 103
[그림 5-8] GeTe/Ox-GST 의 열처리 온도에 따른 I-V 특성 1 = 105
[그림 5-9] GeTe/Ox-GST 의 열처리 온도에 따른 I-V 특성 2 = 106
[그림 5-10] GeTe/Ox-GST의 열처리 후의 광 투과 특성 = 107
[그림 5-11] EFM 의 측정원리의 개략도 = 108
[그림 5-12] EFM 의 장치 구성도 = 109
[그림 5-13] EFM 측정을 위한 Ox-GST pn Homo-junction 의 제작 과정 = 110
[그림 5-14] PR 제거 전 후의 Ox-GST pn Homo-junction = 111
[그림 5-15] AFM으로 측정된 Ox-GST pn Homo-junction 의 표면 = 112
[그림 5-16] Ox-GST pn Homo-junction topography = 112
[그림 5-17] Ox-GST pn Homo-junction EFM 이미지 = 113
[그림 5-18] Ox-GST pn Homo-junction 표면 전위 분포 = 113
[그림 5-19] 칼코겐 전기 트랜지스터 제작 공정 1 = 114
[그림 5-20] 칼코겐 전기 트랜지스터 제작 공정 2 = 115
[그림 5-21] 칼코겐 전기 트랜지스터 제작 공정 3 = 116
[그림 5-22] 칼코겐 전기 트랜지스터 제작 공정 4 = 117
[그림 5-23] 칼코겐 전기 트랜지스터 제작 공정 5 = 118
[그림 5-24] 완성된 칼코겐 전기 트랜지스터 = 119
[그림 5-25] 칼코겐 전기 트랜지스터의 전류정류 특성 = 120
[그림 5-26] 칼코겐 전기 트랜지스터의 출력 특성 = 121
[그림 5-27] 칼코겐 전기 트랜지스터의 전달 특성 = 122
[그림 5-28] 칼코겐 전기 트랜지스터의 채널 폭(W)과 길이(L) = 124
[그림 5-29] 칼코겐 전기 트랜지스터의 유효이동도 μFE = 125
[그림 6-1] As₂S₃ 박막의 광 투과 특성 = 129
[그림 6-2] As₂S₃ 표면 관찰을 위한 실험 구성도 = 130
[그림 6-3] Fiber 를 통한 He-Ne 빛살의 조사 = 131
[그림 6-4] 빛살 조사 전 ASLC 의 표면 이미지 = 133
[그림 6-5] ASLC 의 시간에 따른 표면 변화 (~ 2hr) = 134
[그림 6-6] ASLC 의 시간에 따른 표면 변화 (2hr~9hr 30min) = 135
[그림 6-7] 빛살 조사 전 ASL 의 표면 이미지 = 136
[그림 6-8] ASL 의 시간에 따른 표면 변화 (~1hr) = 137
[그림 6-9] ASL 의 시간에 따른 표면 변화 (2hr~3hr) = 138
[그림 6-10] ASL 의 시간에 따른 표면 변화 (3hr20min~4hr10min) = 139
[그림 6-11] ASL 의 시간에 따른 표면 변화 (4hr20min~5hr 10min) = 140
[그림 6-12] ASL 의 시간에 따른 표면 변화 (6hr~6hr) = 141
[그림 6-13] 빛살 조사 전 ASCC 의 표면 이미지 = 142
[그림 6-14] ASCC 의 시간에 따른 표면 변화 (~30 min) = 143
[그림 6-15] ASCC 의 시간에 따른 표면 변화 (1hr~20hr) = 144
[그림 6-16] 빛살 조사 전 ASCC 의 표면 이미지 = 145
[그림 6-17] ASC 의 시간에 따른 표면 변화 (~30min) = 146
[그림 6-18] ASC 의 시간에 따른 표면 변화 (1hr~8hr) = 147
