Effects of High-Energy Proton Irradaition on ALD-based SnO2-x Field Effect Transistor = ALD 기반 SnO2-x 전계 효과 트랜지스터에 대한 고에너지 양성자 조사 효과

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 열 원자층 증착법을 활용하여 주석 산화물(SnO2-x) 박막 기반의 n-type MOSFET의 제작 및 5 MeV 양성자 조사가 미치는 영향을 평가하고, 이를 통해 우주 전자 소자 적용 가능성을 검증하고자 하였다. Thermal ALD 공정을 통해 SnO2-x 박막을 증착한 뒤, 전구체 주입 시간과 열처리 조건을 변화시켜 박막의 전기적, 구조적 특성을 최적화하였다. Hall 및 XRD 분석 결과, 열처리 이후 박막의 결정성이 확보되면서 전기적 특성이 개선되었으며, 전극 소재 비교 실험에서는 Ti보다 ITO를 적용했을 때 더 높은 Ion/off ratio와 안정적인 전류 특성을 나타내어 ITO를 최종 전극 소재로 선정하였다.
양성자 조사 결과, SnO2-x 박막의 carrier concentration과 mobility는 양성자 조사량이 증가함에 따라 소폭 상승하였고, XPS 분석에서는 Sn2+ 결합 비율의 증가가 관찰되었다. 소자 수준에서는 접촉 저항(Rc)이 감소하고 Vth의 negative shift, ID,max가 최대 200% 증가되는 것이 확인되었으며, Ion/off ratio는 약 106 수준을 안정적으로 유지하였다. 추가적으로 Aging 및 후열처리(200 ℃, 400 ℃)를 수행한 결과, 200 ℃ 조건에서는 양성자 조사로 인한 변화가 안정화되는 경향을 보였고, 400 ℃에서는 조사 전의 Pristine 상태와 유사한 특성으로 회귀하였다.
종합적으로, 본 연구는 SnO2-x 박막 및 n-type MOSFET에 대한 양성자 기반 방사선 영향을 규명하였으며, SnO2-x가 안정적인 전기적 특성과 내방사선성을 동시에 확보할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 SnO2-x 기반 n-type MOSFET이 향후 우주 방사선 환경에서 활용 가능한 핵심 전자 소자로 적용될 수 있는 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• 1.1 Research Background and Necessity 1
• 1.2 Research Objective 2
• II. Theoretical background 3
• 2.1 Metal-Oxide Semiconductor and Charge Transport Mechanisms 3
• 2.2 Stannic Oxide (SnO2-x) 4
• 2.3 Atomic Layer Deposition (ALD) Process 6
• 2.4 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) 8
• 2.5 Radiation-Induced Damage Mechanisms 10
• III. Experimental 12
• 3.1 SnO2-x Thin Film Deposition and Annealing Optimization 12
• 3.2 SnO2-x FET Fabrication and Characterization 13
• 3.3 Proton Irradiation on SnO2-x FETs 15
• 3.4 Characterization Methods 17
• 3.4.1 Electrical Mesurements. 17
• 3.4.2 Structural and Chemical Analyses 18
• 3.4.3 Post-Irradiation Recovery Tests 18
• IV. Results and Discussion 19
• 4.1 Optimization of SnO2-x Thin Film Deposition and Annealing Process 19
• 4.2 SnO2-x FET Fabrication Process Optimization 22
• 4.3 Proton Irradiation Effects on SnO2-x-based FETs 26
• V. Conclusion 39
• VI. References 42