수소 도핑을 통한 비정질 인듐-갈륨-아연 산화물 (a-IGZO) 박막트랜지스터의 양성자 조사 내성 향상
Enhancing Proton Irradiation Tolerance of a-IGZO Thin-Film Transistors through Hydrogen Doping
- 주제(키워드) 인듐-갈륨-아연 산화물 , 박막 트랜지스터 , 수소 도핑 , 양성자 조사 , 방사선 내성
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김충익
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082620
- UCI I804:11029-000000082620
- 본문언어 한국어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
비정질 인듐-갈륨-아연 산화물(a-IGZO) 박막 트랜지스터는 높은 이동도, 낮은 공정 온도, 그리고 우수한 광투과도를 바탕으로 차세대 전자 소자의 유력한 후보로 평가되고 있다. 그러나 고에너지 양성자 조사에 대한 취약성은 방사선 환경에서의 소자 안정성을 크게 제한하는 문제로 지적된다. 본 연구는 수소 도핑을 통해 a-IGZO 박막트랜지스터의 양성자 조사 내성을 향상시키는 전략을 제시한다. a-IGZO 박막에는 5% H_(2)/95% Ar 분위기에서의 후열처리를 통해 수소를 도입하였으며, 도입된 수소의 양은 탄성 반동 분석(elastic recoil detection, ERD)과 비행시간 이차이온질량분석(time-of-flight secondary ion mass spectrometry, TOF-SIMS)을 이용하여 정량적으로 분석하였다. 5 MeV, 1013 cm^(-2) 조건에서 양성자 조사를 수행한 결과, 수소 도핑된 a-IGZO 박막트랜지스터는 문턱전압 이동이 단 0.5 V에 불과한 우수한 방사선 안정성을 나타냈다. 깊이 분석 X-선 광전자분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)과 열탈착분광법(thermal desorption spectroscopy, TDS)은 수소 도핑이 산소 공공 형성을 억제하며, 비도핑 소자 대비 양성자 조사 후 O-H 결합이 M-H 결합으로 전환되는 현상을 촉진함을 보여주었다. 이러한 결과는 두 가지 메커니즘을 시사한다. 즉, 수소는 산소 공공 자리를 점유하여 M-H 결합을 형성함으로써 산소 공공을 패시베이션하고, 동시에 O-H 결합의 M-H 결합으로의 전환을 통해 조사로 인해 생성된 과잉 전자를 보상한다. 이같이 단순한 수소 어닐링 공정은 고신뢰성의 방사선 내성 산화물 반도체 소자를 구현할 수 있는 실용적이고 효과적인 접근법을 제공한다.
more초록(요약문)
Amorphous indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO) thin-film transistors (TFTs) are promising candidates for next-generation electronic devices owing to high mobility, low processing temperature, and optical transparency. However, their vulnerability to high-energy proton irradiation severely limits device stability in radiation environments. This study presents a strategy for enhancing the proton irradiation tolerance of IGZO TFTs through hydrogen doping. Hydrogen was introduced into IGZO films by post-annealing in a 5% H_(2)/95% Ar atmosphere and quantified by elastic recoil detection (ERD) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). Upon 5 MeV proton irradiation at a dose of 1013 cm^(-2), the hydrogen-doped IGZO TFTs exhibited excellent radiation stability, with a threshold voltage shift of only 0.5 V. Depth-profiled X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and thermal desorption spectroscopy (TDS) revealed that hydrogen doping suppresses the formation of oxygen vacancies and promotes the conversion of O-H to M-H bonds after proton irradiation, relative to undoped devices. These results suggest a dual mechanism: hydrogen passivates oxygen vacancies through site occupation, followed by M-H bond formation, and compensates for irradiation-induced excess carriers via conversion of O-H bonds to M-H bonds. This simple hydrogen annealing approach provides a practical and effective route to highly reliable, radiation-hard oxide semiconductor devices.
more목차
제 1장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.1.1. a-IGZO 박막 트랜지스터 1
1.1.2. 양성자 조사에 따른 소자 열화 특성 2
1.1.3. a-IGZO 내 수소 거동과 도핑 연구 동향 4
1.2. 연구목적 6
제 2장 실 험 9
2.1 시료 및 용액 제조 9
2.2 a-IGZO 박막 트랜지스터 제작 10
2.3 양성자 조사 12
2.4 소자 및 박막 특성 분석 13
제 3장 실험결과 및 고찰 15
3.1 수소 도핑 a-IGZO 박막 트랜지스터 제작 15
3.1.1. 수소 도핑 공정 최적화 15
3.1.2. 도핑된 수소 농도의 정량 분석 19
3.2 양성자 조사하에서 방사선 내성 평가 22
3.3 수소 도핑 a-IGZO 박막의 미세구조 및 화학적 특성 분석 27
3.3.1. 박막 특성 분석 (GIXRD, AFM) 27
3.3.2. 박막의 화학적 상태 분석 (XPS) 30
3.3.3. 수소의 화학적 결합 상태 분석 (TDS) 33
3.4 수소도핑을 통한 양성자 조사 내성 향상 메커니즘 37
제 4장 결 론 40
참고문헌 41
