Investigation of Ga₂O₃ passivation–induced two-dimensional electron gas effect on mobility and bias stability in SnO₂ thin-film transistors = SnO₂ 박막 트랜지스터의 이동도 및 바이어스 안정성에 대한 Ga₂O₃ 패시베이션 레이어의 효과 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 졸겔 (sol-gel) 공정을 통해 제작된 SnO2 박막 트랜지스터 (TFT)의 고성능화와 전기적 안정성을 동시에 확보할 수 있는 방법론을 제시한다. 기존 산화물 반도체 소자에서 발생하는 바이어스 불안정성 문제를 해결하기 위해 SnO2 채널 상부에 졸겔 기반 Ga2O3 패시베이션 층을 도입하였다. Ga2O3 박막은 백채널의 dangling bonds 를 보상하고 외부 대기 중의 수분 및 산소로부터 채널을 효과적으로 격리함으로써 소자의 바이어스 안정성을 크게 향상시켰다. 본 연구에서는 구조적, 광학적, 화학적 분석과 소자 단위의 평가를 통해 이러한 개선 효과를 체계적으로 검증하였다. 특히 SnO2 위에 Ga2O3가 증착될 때, 열평형을 유지하기 위한 전자 재배치가 일어나며 전자가 SnO2의 전위 우물 (potential well)에 가두어지는 현상이 발생한다. 이로 인해 형성된 유사 2차원 전자 가스 (quasi-2DEG)는 자유 캐리어 농도를 증가시켜, 바이어스 안정성을 유지함과 동시에 전계 효과 이동도를 기존 약 10cm2/Vs에서 15cm2/Vs로 약 1.5배 향상시키는 결과를 가져왔다. 결론적으로, 본 연구에서 제안하는 SnO2–Ga2O3 패시베이션 기술은 TFT뿐만 아니라 태양전지, 투명 전극, 저항 변화 메모리(ReRAM) 등 차세대 전자 소자용 고성능·고안정성 산화물 박막 구현을 위한 유망한 경로를 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Basic Theory 5
• 2.1 Thin-film transistors (TFTs) 5
• 2.2 Tin (Ⅱ) oxide semiconductor 7
• 2.3 Solution-process 10
• 2.4 Bias stability of oxide TFTs 12
• Ⅲ. Enhancing bias stability and field-effect mobility of TFTs 16
• 3.1 Experimental process 16
• 3.2 XRD and XPS analysis for Ga2O3/SnO2 films 17
• 3.3 Electrical properties of fabricated TFTs 22
• 3.4 Improvement of long-term stability and field effect mobility 26
• Ⅳ. Conclusion 29
• Ⅴ. References 30
• Abstract 35