1. 첫번째 TFT강의를 보면 54분 15초부근에 암모니아 가스를 많이 넣어줄수록 silicon nitride가5eV로 점점 커지게 되며 trap이 줄어든다고 말씀 하셨습니다. 이 말씀이 그냥  silicon과 nitride가 결합할수록 vacancy가 줄어드므로 trap이 줄어든다고 하시는 의미인지 아니면 bandgap이 커지는것 자체로 trap이 줄어드는 것인지가 궁금합니다. 

답) 간단하게말하면 vacancy가 줄어드는 것과 bandgap이 동시에커집니다. Si의 밴드갭 크기는 1.1eV입니다. Si과 N이 1:1로만나게 되어 완벽한SiN가 되었다면 밴드갭 크기는 5eV입니다.

하지만 Si에아주 약간의 N를 넣었다면 1.1eV보다 크게 되고 대부분의Si은 N과 결합을 못하고 dangling bond(N vacancy와 같은 개념) 를 가지게됩니다. N의 양을 많이 넣어서 Si 100%에 N 90%를 넣었다 가정합시다. 그러면 SiNx의 밴드갭은 5eV보다는 작은 밴드갭을 가질것이고 Si과 N이 대부분 화학적 결합을 했고 10%정도만 Si dangling bond를 가질 겁니다. 즉 N의 Vacancy가점점 줄어 듭니다. (지금까지는 정성적으로 설명한 것이니 잘 새겨 듣기 바랍니다.) PECVD방법으로 Si과 N을결합해도 N vacancy가 없는 완벽한 Si3N4 를 만드는것은 불가능합니다. 왜냐하면 N의 vapor pressure가 매우 높기때문(N은 기체 이기 때문에 Si고체와 완벽한 결합은 극한의 온도에 압력이 필요) PECVD 방법으로SiNx 즉 N vacancy가 있는 상태로 만들수 밖에없는데 N vacancy양은 얼마든지 작은 방향으로는 조절이 가능합니다. 이해가 되었기를

2. 또한 DOS의 개념이 살짝 헷갈립니다. 저는 DOS가 물질에서 전자가 존재할 수 있는 상태를 나타내는 지표이고 gateinsulator와 active channel 사이의interface 영역, gate voltage에 의해channel이 형성되는 active channel 영역, channel이 형성되지 않는 back channel에 가까운 bulk영역 등 모든 영역이 각기 다른 DOS를 가질 것으로 생각했습니다.

=> 맞습니다. active channel 영역,  channel이 형성되지않는 back channel에 가까운 bulk영역 등 모든영역이 각기 다른 DOS 분포를 가집니다.

Gate insulator로SiNx를 증착한다고 생각해봅시다. SiH4가스와 과 NH3 가스를  동시에 PECVD 챔버에 넣는데 NH3가스양을 적게 넣으면 gate insultor가 N vacancy가 많은 즉 trap이 많은 gate insulator가 될거고 전자들이 모이면일단 여기에 먼저 trap이 되어 Ec로 못올라가게 되어전류기여에 방해가 됩니다.

Active channel인a-Si이나 IGZO도 증착 속도를 빨리 하거나 O2 gas를 적게 넣으면 또한 trap이 발생하여 전자들이 여기에포집이 될겁니다. Back channel도 기본적으로 trap을가질수 밖에 없고 이런것들이 모두 DOS로 표현됩니다.

  가령 interface의 DOS는dangling bond가 많다보니 deep states가 많은 DOS 그래프를 가지게 되고, channel이 형성되는 영역은 다른일반적인 bulk영역과 비슷한 DOS를 가지며, back channel 쪽은 외부에 노출되어 있으므로 산소나 수소와 반응하여post annealing된 형태의 DOS를 가질 것이라고 예상했습니다.

  그러나강의자료나 논문 등에 나오는 DOS 그래프는 각 영역별로 DOS를구별하지 않고 하나의 그래프로 표현하고 있습니다. 그래서 논문들을 통해 DOS를 추출하는 과정들을 찾아보니 대부분 C-V curve등을 이용해측정을 했습니다. 그러나 이처럼 C-V curve를 이용할경우 interface와 channel 영역의 전자들 모두교류 주파수에 따라 움직입니다. 따라서 interface trap인 D_it와 channel 영역의states가 모두 합해져 하나의 DOS로 나타날 것이라고 생각합니다.

그렇다면 혹시 이 DOS라는 개념은 제가 생각했던 것처럼 "각 영역마다 특별한 DOS를 가진다" 이런 느낌이 아니라 interface+channel 영역에서 전자가 존재할 수 있는 states를모두 통틀어 말하는 것인지가 궁금합니다.

è  Interface는 gate insulator와 active channel(a-Si or IGZO) 사이를 말하고 서로 연결되어있습니다. 둘을 구분하는 것을 매우 어렵습니다. 따라서 interface의 trap 측정을 하면 통합되어서 나옵니다. 굳이 구분하는 방법은 active channel 증착 조건은 변경하지않고 gate insulator 증착 조건에서 N의 양 또는O2의 양을 조절하면서 trap의 분포를 측정해보고 반대로gate insulator의 증착조건을 고정하고 activechannel의 증착 조건을 변경해보면 trap의 수가 바뀌는 것을 보게 될겁니다. 따라서 interface trap은 gate insulator와 active channel 모두 통합해서생긴 trap으로 보면 됩니다.

3. Oxygen vacancy(Vo)는 강의에서 설명해주신 것처럼 ZnO등에 O가 부족하여 생기는 빈자리로 알고 있습니다. 그렇다면 결국 Vo는 dangling bond의 일종일 것이라고 생각합니다. 따라서 Vo는 danglingbond처럼 deep states를 형성할 것이라고 생각하며 자료들을 찾아보니 실제로 bandgap 중앙 근처에 states들을 형성하고 있었습니다. 그러나 Vo는 donor역할을하는 것으로 알고 있습니다. 여기서 하나 의문점이 생긴 것이 어떻게bandgap 중에서 deep한 곳에 위치한 Vo가 conduction band에 전자를 주어 n-type화 시킬 수있는지가 궁금하였습니다.

=> 이건교수님들도 잘 모르는 영업 비밀인데 윤호영씨가 열심히 공부하니 답해줍니다.

ZnO경우O의 vacancy 경우는 deep state를 형성하는 것이 맞아요. Dangling 본드는기본적으로 deep state를 형성합니다. 하지만 Zn는 donor 역할을 합니다. 하지만 O2 vacancy가 작으면 donor역할을 하는 Zn양도 작아서 이정도로는 전류를 일으키는데 턱없이 부족합니다. 더구나ZnO를 증착하다보면 Zn와 O의 weak bond가 생기게 되는데 이 weak bond는 tail state를 만듭니다. 이 tail state는 온라인 강의에서 설명하였지요.

그런데 결정적으로 donor역할을 하는 것은 H2입니다.그것도 공기중에 수많은 Hydrogen이 O과결합하여OH bond를 만들고 H는 ZnO내 donor 역할을 합니다. 이이론을 발표한 사람이 San diago 인지 산타바바라 대학 교수가 논문을 발표했고 일본 호소노 교수가실험적으로 증명하였지요. 따라서 ZnO에 O vacancy는 많지만 그래도 n type 으로 동작하는 이유가H이 도너 역할을 하기 때문입니다.

H은O과 상온에서도 잘 결합하는 성격이라 oxide물질 IGZO나 ZnO, ITZO등에 엄청나게 많은 hydrgen이 포함되어 있지요. 그것도 공기중에 Hydrogen 만으로.. 아마TFT를 연구하는 교수님들도 잘 모르는 경우도 있음을 감안해서 본인이라도 잘 이해하길..

물리전자강의에서 공부한 내용 중 부도체의 경우 bandgap이 너무 크다보니conduction band 주변에 donor level을 형성하는 물질이 없어 반도체를만들기 어렵다고 하셨습니다. 마찬가지로 Vo 역시 이렇게 deep한 곳에 donor level을 형성한다면 a-Si나 IGZO가 전도성을 가지기 어려워 단순한 부도체 물질이될것이라 예상됩니다. 이처럼 deep states를 형성하는 Vo가 어떻게 free electron을 만들어 a-Si나 IGZO를 n타입화시킬 수 있는 지가 의문이 들었습니다.

ð  위에답을 했습니다. O vacancy는 deep state 가맞고 공기중 Hydrogen이 deep state를 모두채우고도 남고 또 donor역할을 한다는 것을

4. 또한 Oxygen vacancy (Vo)에 대해 공부하다보니 아래 사진들처럼 Vo가중성일 경우는 deep states를 형성하고 있다가conduction band에 전자를 올려줘 2가 양이온이 되면  acceptor like states를 형성하는데 위치가 deepstates에서 shallow states로 바뀐다고 나와있었습니다. 

저는이 현상에 대해 고민하고 여러가지 생각을 해본 결과 donor level을 형성하고 있는 states가 conduction band에 전자를 주고 +이온 상태가 되면 주변 원자들과의 전자기학적 상호작용이 변하므로 이온화된donor states들은 기존의 donor level과 다른 위치에 acceptor like states를 형성한다고 생각했습니다. 그러나이러한 제 생각이 맞는 지 확신이 들지 않아 교수님께 도움을 구하고 싶습니다.

ð  먼저deep state의 경우 전자를 머금고 있는 donor-likestate입니다. 왜냐하면 IGZO의 경우 수많은hydrogen을 품고 있고 In이나 Zn에서 약간의 전자 기여로 이 deep state에 전자를 채우면서donor-like state로 됩니다. 여기에 photon energy(가장 짧은 파장4000A)경우 에너지로 환산하면3eV에너지가 되는데(E=12396.44/파장(A)) 이 photon 에너지는 밴드갭내에 모든 trap이 품고있는 전자들을 Ec로 올려줍니다. 물론 Ev의 전자들도 올려주지요.Vo의 경우 전자를 올려서 Vo2+가 되는 것은 논문을 믿기로 하고 아무튼 위 설명은 상식적으로도맞는 얘기입니다. 여기서 중요한 것은 donor level이어디서 왔냐는 겁니다. Donor의 대부분은 hydrogen에서왔습니다. 특히 IGZO에서 그리고 이 도너가 상온에서도Ec로 기여하고 photon 에너지로도 Ec 에 기여합니다. 그리고 state의에너지 준위를 검증해보니 다른 에너지 준위인 acceptor like state(전자가 없는 빈 state)로 확인이 되었다고 봅니다. 그런데 솔직히 Vo가 Vo2+가 되면서 deep에서shallow로 되는 것은 나도 잘 이해가 안갑니다. 어떤근거로 정확히 설명할 수있는지를. 하지만 중요한 것은 Hydrogen이donor역할을 하는 것은 검증된 사실이고 photon 에너지를주면 밴드갭 내 모든 state들의 가지고 있는 전자들을 Ec로올리면서 acceptor like state를 만드는 것은 맞습니다.Hydrogen이 얼마나 중요하다는 것을 알 수있는 것이 IGZO에 바로 SiNx gate insultor를 쓰면 IGZO가 conductor로 됩니다. 왜냐하면 SiNx에는 SiOx보다 10~100많은hydrogen을 품고 있기 때문입니다. 그래서 IGZO바로 붙는 gate insultor는 반드시 hydrogen양이 상대적으로 작은 SiOx를 씁니다, 화학식으로만 봐도 SiNx에 hydrogen양이많다는 것을 볼수 있어요. SiH4+NH3=> SiNx  vs. SiH4+N2O=SiOx  이화학식만 봐도 SiNx에훨씬 많은 hydrogen을 가지고 있습니다. SiNx 식자체는 hydrogen이 없지만 실제는 어마무시한 H를 가지고있지요. 잘 이해가 되었기를..

ð 강 의가 좋으면 주위에 많이 홍보해주시고, 앤디솔 홈페이지에 고객센터/수강후기도 달아주면 좋겠어요..

ZnO에서 hydrogen의 역할 관련 논문을 다행히 찾아서 첨부에 달았으니 읽어보기 바랍니다. 산타바바라대학이네 ㅎㅎ