계면 결함 기반 이중층 ZnON/InGaZnO 광 시냅스 소자 메모리 특성 제어 = Oxygen Defect Modulation in Double-Layered ZnON/InGaZnO Photonic Synaptic Thin-Film Transistors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Photonic synaptic devices have attracted increasing attention as key components for artificial vision systems and neuromorphic computing because they can simultaneously sense, process, and memorize optical stimuli. However, single-layer oxide semiconductor devices often exhibit limited visible-light absorption or unstable memory behavior, making it difficult to achieve both broadband photoresponse and reliable synaptic characteristics. In this study, double-layered ZnON/InGaZnO photonic synaptic thin-film transistors were investigated to improve RGB photoresponse and memory characteristics through oxygen-defect and interface-defect engineering.

ZnON was used as a visible-light absorption layer owing to its narrow optical bandgap, while InGaZnO was introduced as a capping and auxiliary channel layer to improve electrical stability and provide interface-related charge trapping states. Compared with single-layer ZnON and InGaZnO devices, the ZnON/InGaZnO double-layer device exhibited enhanced RGB photoresponse, improved short-term and long-term memory characteristics, and clear potentiation/depression behavior under repeated optical and gate erase pulses.
The origin of these characteristics was analyzed using spectroscopic ellipsometry, X-ray photoelectron spectroscopy, photo-induced current transient spectroscopy, and transistor measurements under RGB illumination. By controlling the O₂ flow rate during ZnON deposition, the distribution of shallow-level and deep-level defects was modulated. Shallow-level defects and D1 transition near the absorption edge contributed to fast photocurrent generation and enhanced RGB photoresponse, whereas deep-level defects acted as charge trapping states and improved current retention after light removal. Among the investigated conditions, the ZnON-O2-3.6/InGaZnO device showed the most balanced photoresponse and memory characteristics due to the effective formation of both shallow-level defects for photocurrent generation and deep-level defects for charge storage.

These results demonstrate that the photonic synaptic characteristics of ZnON/InGaZnO thin-film transistors can be controlled by engineering oxygen-related and interface-induced defect states. Therefore, double-layer oxide semiconductor structures provide an effective strategy for realizing visible-light-driven photonic synaptic devices for artificial vision systems and neuromorphic optoelectronics.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 뉴로모픽 소자 1
• 1. 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템 1
• 2. 인공 시냅스 소자의 개념 및 원리 2
• 3. 인공 시냅스 소자의 종류 3
• 4. 광 시냅스 소자의 필요성 4
• 제2절 비정질 산화물 반도체 박막 트랜지스터 6
• 1. 비정질 산화물 반도체 6
• 2. 비정질 산화물 반도체 박막 트랜지스터 7
• 3. 비정질 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 광학적 특성 9
• 제2장 실험 방법 13
• 제1절 ZnON, InGaZnO 단일층 및 ZnON/InGaZnO 이중층 박막 트랜지스터 제작 13
• 1. ZnON 단일층 박막 트랜지스터 제작 14
• 2. InGaZnO 단일층 박막 트랜지스터 제작 13
• 3. ZnON/InGaZnO 이중층 박막 트랜지스터 제작 15
• 제2절 트랜지스터 광 시냅스 특성 분석 16
• 1. RGB 광응답 특성 분석 16
• 2. 광 시냅스 단기 및 장기 메모리 특성 분석 17
• 3. 광 시냅스 학습 및 망각 특성 분석 18
• 제3절 산화물 반도체 박막 물성 및 결함 특성 분석 20
• 1. Spectroscopic Ellipsometry（SE） 분석 20
• 2. X-ray Photoelectron Spectroscopy（XPS） 분석 21
• 3. Photo-Induced Current Transient Spectroscopy（PICTS） 분석 23
• 제3장 실험 결과 및 해석 26
• 제1절 ZnON, InGaZnO 단일층 및 ZnON/InGaZnO 이중층 광 시냅스 특성 분석 26
• 1. ZnON 단일층 광 시냅스 특성 분석 23
• 2. InGaZnO 단일층 광 시냅스 특성 분석 33
• 3. ZnON/InGaZnO 이중층 광 시냅스 특성 분석 38
• 제2절 ZnON, InGaZnO 단일층 및 ZnON/InGaZnO 이중층 산화물 반도체 물성 및 결함 분석 49
• 1. SE 기반 optical bandgap 및 edge-tail state 분석 49
• 2. XPS 기반 O 1s 화학 결합 상태 및 valence band 분석 52
• 3. SE/XPS 기반 band alignment 및 전자구조 분석 56
• 4. PICTS 기반 deep-level defect 정량 분석 58
• 제3절 ZnON 산소 분압에 따른 ZnON/InGaZnO 이중층 광 시냅스 특성 분석 62
• 1. 산소 분압에 따른 ZnON/InGaZnO 이중층 RGB 광응답 특성 분석 62
• 2. 산소 분압에 따른 ZnON/InGaZnO 이중층 시냅스 단기 및 장기 광메모리 특성 분석 62
• 3. 산소 분압에 따른 ZnON/InGaZnO 이중층 학습 및 망각 시냅스 특성 분석 65
• 제4절 ZnON 산소 분압에 따른 ZnON/InGaZnO 이중층 산화물 반도체 물성 및 결함 분석 67
• 1. SE 기반 optical bandgap 및 edge-tail state 분석 67
• 2. XPS 기반 O 1s 화학 결합 상태 및 valence band, 박막 조성 분석 71
• 3. PICTS 기반 deep-level defect 정량 분석 74
• 제5절 에너지 준위별 결함 밀도에 따른 광메모리 특성 79
• 제4장 결론 84
• 참 고 문 헌 86
• ABSTRACT 98