제일원리계산 기반 인듐 산화물에서의 아연 및 수소 도핑 거동 분석

국문 초록 (Abstract)

In2O3는 높은 캐리어 농도 및 이동도를 가지고 있으며, 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인해 투명 전도성 산화물 (Transparent conducting oxides)으로써 광범위하게 연구되어 왔다. 이러한 In2O3에 Zn를 도핑한 Zn-doped In2O3 (IZO)는 우수한 광학적 및 전기적 특성으로 인해 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 IZO에서의 축퇴 (Degenerate) n형 도핑의 원인을 밝히기 위해 밀도 범함수 이론 (Density Functional Theory, DFT)계산을 사용하여 Zn 점 결함 (Point defect)에 대해 제일원리계산 (First-principles calculation) 및 분석을 진행했다. Zn 도펀트의 두 가지 형태, 즉 침입형 Zn ( Zn𝑖 )와 치환형 Zn ( ZnIn ) 중 ZnIn 이 에너지적으로 더 유리한 것으로 나타났다. Zn은 n형 도핑을 보상하는 억셉터 (Acceptor) 역할을 하지만, In2O3의 고유 결함인 산소 공공 (Oxygen vacancy, 𝑉O )과 결합하여 결함 복합체 (Defect complex), ZnIn–𝑉O 를 쉽게 형성한다. 이 결함 복합체는 약 1 eV의 상당한 결합 에너지 (Binding energy)를 나타내며 얕은 도너 (Shallow donor) 역할을 한다. 본 연구는 IZO 박막에서 발생할 수 있는 캐리어 농도를 평가함으로써, Zn의 형성이 IZO에서 유의미한 n형 전도도를 유지하거나 오히려 향상시키는 데 필수적임을 입증한다. 또한 IZO의 도핑 거동을 규명함으로써 IZO의 특성을 최적화하는데 도움을 주며, 이를 통해 IZO가 핵심적인 투명 전도성 산화물 역할을 하는 광전자 및 에너지 소자의 발전에 기여할 것이다. In2O3에 H를 도핑한 In2O3:H (IO:H)는 높은 캐리어 농도 및 이동도를 가지며 결정성을 향상시키는 등의 장점으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 In2O3에 H를 도핑함으로써 점 결함 관점에서 H의 특성을 밀도 범함수 이론 계산을 사용하여 제일원리계산 및 분석을 진행했다. H는 산화물 반도체에 도핑되는 경우 침입형 형태로 존재할 수 있다. 두 형태가 존재하는데, H𝑖 + , 즉, 전자를 제공하는 도너로 작용하거나 H𝑖 −, 즉, 전자를 잡아두는 억셉터로 작용할 수 있다. In2O3에서 H는 격자 (Lattice) 내부 위치에 따라 도너 혹은 억셉터 형태로 둘 다 존재할 수 있으며, H𝑖 + 가 에너지적으로 유리한 형태로 나타났다. 또한 O자리에 H가 위치하여 치환형 결함인 HO 를 형성할 수 있으며, 해당 결함은 도너로만 작용하는 것을 확인했다. 도너와 억셉터의 이중안정성 (Bistability)을 파악하기 위해 구성 좌표 (Configuration coordinate, CC)를 계산하였고, IO:H에서 약 3.9 eV의 전이 장벽 (Transition barrier)을 가져 전자를 잡아두거나 내보내는 것이 어렵다는 것을 확인했다. 본 연구는 산화물반도체에서의 H의 거동을 분석하여 H가 도너로 존재하는 것이 안정하다는 것을 확인했으며, 구성 좌표 계산을 통해 높은 전이 장벽을 가져 도너에서 억셉터로의 전이가 어려워 안정적으로 도너 상태를 유지함을 보인다. 이는 H 도핑을 통해 디바이스의 좋은 성능을 이끌어냄을 증명함과 동시에 높은 안정성을 지녔다는 것을 시사한다. 결론적으로 본 연구는 차세대 반도체 연구 및 개발에 있어 반도체의 특성 최적화에 유의미한 통찰력을 제공할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In2O3 has been extensively studied as a transparent conducting oxide (TCO) due to its high carrier concentration, high mobility, and excellent optical and electrical properties. Zn-doped In2O3 (IZO), obtained by doping In2O3 with Zn, has also attracted significant attention for its outstanding optoelectronic performance. In this study, we performed first-principles calculations and analysis of Zn to elucidate the cause of degenerate n-type doping in IZO. Among the two possible configurations of Zn dopants, namely interstitial Zn (Zn𝑖) and substitutional Zn (ZnIn), the ZnIn is found to be energetically more favorable. Zn act as an acceptor that compensates for n-type doping but readily forms a defect complex ZnIn–𝑉O, by combining oxygen vacancies (𝑉O), which are intrinsic defects in In2O3. This defect complex exhibits a large binding energy of approximately 1 eV and acts as a shallow donor. By evaluating the carrier concentration that occur in IZO films, this study demonstrates that the formation of ZnIn–𝑉O is essential for maintaining or even enhancing the strong n-type conductivity of IZO. Furthermore, the insights obtained from this study can contribute to optimizing the electronic properties of IZO and advancing its application in optoelectronic and energy devices where IZO serves as a key TCO. H-doped In2O3 (In2O3:H, IO:H) has attracted considerable attention due to its high carrier concentration, high mobility, and improved crystallinity. In this study, we performed first-principles calculations to investigate the characteristics of H from the viewpoint of point defects using DFT calculations. When doped into oxide semiconductors, H can exist in interstitial form as either H𝑖+, which acts as a donor providing electrons, or H𝑖−, which acts as an acceptor capturing electrons. In In2O3, H can exist in both donor and acceptor forms depending on its location within the lattice, but the H𝑖+ is found to be energetically more favorable. In addition, we found that H can substitute for O site to form a substitutional H (HO) which acts exclusively as a donor. To determine the bistability of the donor and acceptor, the configuration coordinate (CC) was calculated, and it was confirmed that the transition barrier in In2O3 is approximately 3.9 eV, making electron trapping and detrapping are unlikely. This study demonstrates the behavior of H in In2O3 and confirms that H is stable when it exists as a donor. In addition, the CC calculation reveals that the large transition barrier makes it difficult to transition from a donor to an acceptor, so it stably maintains the donor state. This proves that H doping enhances device performance and ensures high electrical stability. In conclusion, this study provides meaningful insight into the optimization of semiconductor characteristics in the research and development of next-generation semiconductors.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 초 록 i
• 목 차 iii
• 그 림 목 차 v
• 제 1장 서론 1
• 제 2장 이론적 배경 6
• 2.1. 밀도 범함수 이론 6
• 2.2. 계산 세부내용 9
• 2.2.1. 결함 형성에너지 9
• 2.2.2. 결합 에너지 (Binding energy) 11
• 2.2.3. 캐리어 농도 11
• 2.2.4. 구성 좌표 (Configuration coordinate, CC) 12
• 제 3장 Zn-doped In2O3 (IZO) 14
• 3.1. In2O3 14
• 3.1.1. In2O3구조 분석 14
• 3.1.2. In2O3전자 구조 분석 14
• 3.2. 산소 공공 (Oxygen vacancy, 𝑉O) 18
• 3.3. Zn 22
• 3.3.1. 침입형 Zn (Interstitial Zn, Zn𝑖) 22
• 3.3.2. 치환형 Zn (Substitutional Zn, ZnIn) 25
• 3.4. 분석 결과 28
• 3.4.1. 결함 형성에너지 28
• 3.5. 결함 복합체 31
• 제 4장 H-doped In2O3 (IO:H) 38
• 4.1. 침입형 H (Interstitial H, H𝑖) 38
• 4.1.1. H𝑖+ 38
• 4.1.2. H𝑖− 42
• 4.2 치환형 H (Substitutional H, HO) 45
• 4.3. 분석 결과 48
• 4.3.1. 결함 형성에너지 48
• 4.3.2. 구성 좌표 분석 50
• 제 5장 결론 52
• 참고문헌 54
• Abstract 60
• 감사의 글 62