Study on Fabrication and Characterization of μm scale Epitaxial Heterostructures based on BaSnO3 Perovskite Oxide Semiconductor = 페로브스카이트 산화물 반도체 BaSnO3 기반 결정성 이질구조의 제작과 특성 측정에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

BaSnO3 (BSO)는 흥미로운 특성 때문에 여러 분야에 걸쳐서 다양하게 연구되어 왔다. BSO는 페로브스카이트 구조를 가진 물질로 격자상수 가 4.116 Å 인 입방 구조를 이루고 있다. BSO를 주목받은 물질로 만들어준 몇 가지 특성은 다음과 같다. 첫째, 직접 밴드 갭이 3.1 eV인 넓은 밴드 갭 물질이다. 이 높은 밴드 갭으로 인해 BSO는 높은 전압에서 동작하는 고출력 장치의 재료로서 사용될 수 있다. 두번째, BSO는 La을 사용하여 쉽게 n형 도핑이 가능하다. 본질적으로는 절연체이나 La 도핑을 통해 높은 전도도를 가질 수 있다. 이는 La 도핑 농도를 변화시켜 전류차단층, 채널층, 접촉층을 모두 한 물질로 만들 수 있음을 의미한다. 세번째, 높은 이동도를 가진다. 높은 도핑 영역 (8 × 1019 cm-3)에서 단결정의 경우 320 cm2·V-1·s-1의 높은 이동도가 보고되었다. 박막의 경우 기판과 박막의 격차상수 불일치에 의한 threading dislocation등의 영향으로 단결정보다 다소 낮은 20~100 cm2·V-1·s-1 정도의 값을 가진다. 게다가 BSO는 LaInO3와의 계면에서 이차원 전자 가스 (2DEG)를 형성한다. 도판트에 의한 산란으로부터 자유로운 2DEG은 BSO의 높은 이동도와 만나 시너지를 이룬다. 높은 이동도는 BSO가 고이동도트랜지스터(HEMT)의 채널 물질로 사용되어질 가능성이 있음을 보여준다. 네번째, 높은 온도 안정성을 가진다. 높은 온도에서 본래의 특성을 유지할 수 있음은 고온에서 동작하는 소자에 응용되어질 수 있음을 의미한다. 다섯번째, 높은 산소 안정성을 가진다. 약 700 ℃에서 1x10-17cm2·s-1 정도의 낮은 산소 확장 계수를 가진다. 높은 산소 안정성은 BSO가 다양한 환경에 노출 되더라도 본래의 특성을 유지할 수 있음을 의미한다. 이러한 휼륭한 BSO의 특성들은 BSO가 고온 고압에서 동작할 수 있는 높은 성능을 가진 device의 재료로서 사용될 수 있음을 보여준다.
본 논문에서, 나는 BSO를 기반으로 한 마이크론 크기의 이종접합구조의 제작과 특성 측정에 집중하였다. 제작은 포토리소그래피와 식각을 통해 수행되었다. 식각은 물리적인 식각인 아르곤-이온 밀링과 화학적인 습식 식각을 사용하였다. 식각 후 표면은 주사탐침현미경 을 통해 조사되었다. 적절한 조건 조절과 후처리 하에 표면 손상은 제어 되었다.
4% BLSO는 BSO기반 시스템에서 접촉 물질로 사용되었다. BSO 시스템들 사이의 접촉 저항을 Transmission Line Method (TLM) 방식으로 측정하였다. 기존의 TLM 방식으로는 BSO 시스템의 접촉저항을 측정하는데 어려움이 있어 이를 해결하기 위해 수정된 Transmission Line Method를 고안하여 측정을 진행하였다. 측정 결과 2.87 × 10-7 Ω·cm2 의 낮은 접촉저항을 얻을 수 있었다. 이는 기존의 다른 반도체와 금속 사이의 접촉 저항과 비견될 만큼 낮은 값이다. 이는 BSO로 이루어진 시스템이 크기 축소가 될 수 있음을 보여준다.
이러한 연구를 기반으로 모두 켜쌓은 한 마이크론 크기의 장효과 트랜지스터를 제작하였다. 도핑되지 않은 BSO를 기판과 채널 사이의 격자상수 불일치에 의한 threading dislocation의 영향을 감소시켜 줄 완충기로, 낮은 도핑 BLSO를 높은 이동도를 가진 채널로, 4% BLSO를 낮은 접촉 저항을 가진 접촉 물질로 사용하였고 이러한 BSO 시스템과 합성 될 수 있으며 높은 유전 상수와 낮은 누설 전류를 가지는 SrHfO3를 게이트 산화물로서 사용하였다. 이렇게 제작된 장효과 트랜지스터는 6.05 × 10-2 mA·μm-1의 드레인 전류를 보이며 기존의 장효과 트랜지스터에서 채널 길이를 감소시켰을 때 기대되는 효과를 보여주었다. 이 연구는 실험실 단계에서 쉽게 진행할 수 있는 습식 식각을 사용하여 마이크론 크기의 소자를 성공적으로 제작할 수 있음을 보여주었다.
또한 마이크론 크기의 패턴을 통해 LaInO3/BaSnO3 계면의 2DEG의 정밀한 측정을 진행하였다. 기존에 실시되었던 밀리미터 크기의 측정보다 더 국소적인 영역의 특성을 측정하여 넓은 면적으로부터 오는 불균일성을 감소시켰다. LIO/BSO 2DEG을 이온성 액체 게이팅을 통하여 1 × 1014 cm-2 이상의 운반자를 변조하며 운반자 밀도와 이동도 사이의 관계를 살폈다. 이동도는 운반자 밀도의 2분의 3승에 비례하는 경향성을 보이며 이차원성을 보여주었으며 기존에 보고되지 않은 1000 cm2·V-1·s-1 이상의 높은 값까지 도달하였다. 이는 2DEG을 사용한 소자의 잠재력을 보여줌과 동시에 양자 수송의 연구를 위한 단초가 될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

BaSnO3 (BSO) has been studied in various fields because of its interesting properties. As a material with a perovskite structure, BSO forms a cubic structure with a lattice constant of 4.116 Å. Some properties that have made BSO a material of interest include: First, it is a wide band gap material with a direct band gap of 3.1 eV. Due to this high band gap, BSO can be used as a material for high power devices that operate at high voltages. Second, BSO can easily be n-type doped using lanthanum. It is intrinsically insulating and can have high conduction through La cation doping. This means that the current block layer, channel, and contact can all be made from one material by changing the degree of La doping. Third, it has high mobility. In the case of a single crystal in the high doping region (~8x10¹⁹ cm⁻³), a high mobility of 320 cm2·V-1·s-1 was reported. In the case of film, it has a value of about 20~100 cm2·V-1·s-1, which is lower than that of single crystal due to the influence of threading dislocation due to lattice mismatch between substrate and film. Additionally, BSO forms 2-dimensional electron gas (2DEG) at the interface with LaInO3. 2DEG, which is free from scattering by dopant, creates synergy with the high mobility of BSO. The high mobility shows that BSO has the potential to be used as a channel material for high electron mobility transistors. Fourth, it has high temperature stability. Being able to maintain its original characteristics at high temperatures means that it can be applied to devices that operate at high temperatures. Fifth, it has high oxygen stability. It has a low Oxygen diffusion coefficient of about 1x10-16cm2·s-1 at about 700 ℃. High oxygen stability means that BSO can maintain its original properties even when exposed to a variety of environments. These excellent properties of BSO show that BSO can be used as a material for high-performance devices that can operate at high temperature and high pressure.
In this dissertation, I focused on the fabrication and characterization of micron-scale heterostructures based on BSO. Fabrication was performed through photolithography and etching. Etching used Ar-ion milling, which is physical etching, and wet etching, which is chemical. After etching, the surface was examined through atomic force microscopy (AFM). Surface damage was controlled under appropriate condition control and post-treatment.
4% BLSO was used as contact material in the BSO-based system. Contact resistance between BSO systems was measured using the transmission line method (TLM). Because it was difficult to measure the contact resistance of the BSO system using the existing TLM, the modified transmission line method was designed and measured to solve this problem. As a result of the measurement, a low contact resistance of 2.87 × 10-7 Ω·cm2 was obtained. This is a low value comparable to the contact resistance between other existing semiconductors and metals. This shows that a system consisting of BSO can be scaled down.
Based on this research, a fully epitaxial micron-scale field effect transistor was produced. Undoped BSO was used as a buffer to reduce the effect of threading dislocation due to lattice mismatch between the substrate and channel, low doping BLSO was used as a channel with high mobility, and 4% BLSO was used as a contact material with low contact resistance. SrHfO3, which can be composited with the BSO system and has high dielectric constant and low leakage current, was used as the gate oxide. The FET produced in this way showed a drain current of 6.05 × 10-2 mA·μm-1 and showed the expected effect when reducing the channel length in the existing FET. This study demonstrated that micron-scale devices can be successfully fabricated using chemical etching, which can be easily performed at the laboratory stage.
In addition, precise measurements of 2DEG of the LaInO3/BaSnO3 interface were performed using micron-scale patterns. By measuring the characteristics of a more local area than previously performed millimeter scale measurements, I reduced the unevenness that comes from a large area. LIO/BSO 2DEG modulated carriers larger than 1 × 1014 cm-2 through ionic liquid gating and examined the relationship between carrier density and mobility. Mobility showed a tendency to be proportional to the power of 3/2 of the carrier density, showing 2-dimensionality, and reaching a previously unreported high value of over 1000 cm2·V-1·s-1. This shows the potential of devices using 2DEG and can serve as a starting point for research on quantum transport.

목차 (Table of Contents)

• List of Contents
• Abstract 1
• List of Contents 4
• List of Figures 6
• List of Tables 10
• 1. Introduction 11
• 1.1. BaSnO3 properties 11
• 1.1.1. Wide band gap 11
• 1.1.2. High mobility 11
• 1.1.3. Oxygen stability 13
• 1.1.4. 2-dimensional electron gas 14
• 1.2. Fabrication method for BaSnO3 15
• References 17
• 2. Low contact resistance of epitaxial edge contacts to buried La-doped
• BaSnO3 layer 21
• 2.1. Introduction 21
• 2.2. Ar-ion milling for physical etching 23
• 2.3. Edge contact 25
• 2.3.1. Fabrication process of edge contact 26
• 2.3.2. Structural data of edge contact 27
• 2.3.3. Electrical data of edge contact 29
• 2.4. Transmission line method 30
• 2.4.1. Conventional transmission line method 31
• 2.4.2. Modified transmission line method 31
• 2.5. Contact resistance measurement 35
• 2.6. Conclusion 36
• References 38
• 3. μm scale epitaxial FET fabrication using photolithography and etching
• technique 40
• 3.1. Introduction 40
• 3.2. Chemical wet etching 42
• 3.2.1. Etching using hydrofluoric acid (HF) 42
• 3.2.2. Etching using nitric acid hydrochloride (Aqua regia) 47
• 3.3. Fully epitaxial field effect transistor 48
• 3.3.1. Condition optimization 48
• 3.3.2. Fabrication process 55
• 3.3.3. Structural data of the FET 57
• 3.3.4. FET characteristic 58
• 3.4. Conclusion 61
• References 63
• 4. Electron mobility enhancement in 2-dimensional electron gas at
• LaInO3/BaSnO3 interface using electric double layer 65
• 4.1. Introduction 65
• 4.2. Ionic-liquid gating for carrier modulation 67
• 4.3. Sample preparation 68
• 4.3.1. 2DEG preparation 68
• 4.3.2. Geometry for measurement 72
• 4.4. Low temperature measurement with gating 78
• 4.4.1. Sheet resistance measurement 78
• 4.4.2. Hall measurement 81
• 4.5. Conclusion 85
• References 86
• List of publications and presentations 89
• Abstract in Korean 90

참고문헌 (Reference)

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