In2의 원자층 증착(ALD) O3 나노 필름은 사이클로펜타디에닐 인듐(InCp)과 과산화수소(H2 O2 ) 전구체로. 인2 O3 필름은 160–200 °C의 비교적 낮은 온도에서 우선적으로 증착될 수 있으며 1.4–1.5 Å/주기의 안정적인 성장 속도를 나타냅니다. 증착된 필름의 표면 거칠기는 증착 온도에 따라 점진적으로 증가하는데, 이는 증착 온도가 높을수록 필름의 결정화가 향상되기 때문입니다. 증착 온도가 150°C에서 200°C로 증가함에 따라 광학 밴드 갭(Eg ) 증착된 필름의 3.42 eV에서 3.75 eV로 상승합니다. 또한, 증착 온도가 증가함에 따라 증착된 필름의 In 대 O의 원자비는 화학량론적 In2의 원자 비율로 점차 이동합니다. O3 , 탄소 함량도 정도 감소합니다. 200°C 증착 온도의 경우 증착된 필름은 In:O 비율이 1:1.36이고 탄소 혼입이 없습니다. 또한 고성능 In2 O3 Al2를 포함하는 박막 트랜지스터 O3 게이트 유전체는 7.8cm 2 의 전계 효과 이동도를 보여 적절한 시간 동안 300°C의 공기 중에서 후-어닐링하여 달성되었습니다. /V⋅s, 0.32V/dec의 하위 임계값 스윙, 10 7 의 온/오프 전류 비율 . 이것은 장치 채널에서 산소 결손의 부동태화로 인한 것입니다.
<섹션 데이터-제목="배경">산화인듐(In2 O3 )은 투명한 금속 산화물 반도체로 실온에서 ~3.7 eV의 넓은 밴드 갭, 가시광선에 대한 높은 투명도, 우수한 화학적 안정성을 나타냅니다[1, 2]. 따라서 2에서 O3 광기전력 장치, 전기화학 센서, 평판 디스플레이와 같은 다양한 응용 분야에 대해 조사되었습니다[3,4,5]. 지금까지 In2를 준비하기 위해 여러 증착 기술이 개발되었습니다. O3 스퍼터링[6, 7], 졸겔[8, 9] 및 화학 기상 증착(CVD)[10, 11]을 포함한 박막. 그러나 스퍼터링 및 졸-겔 기술은 일반적으로 부정확한 원소 조성뿐만 아니라 넓은 면적에 걸쳐 불량한 균일성으로 인해 어려움을 겪습니다. CVD 기술은 일반적으로> 300 °C의 비교적 높은 증착 온도를 필요로 합니다. 이러한 단점으로 인해 균일한 In2 O3 낮은 증착 온도에서 정확한 두께와 조성 제어가 가능한 필름입니다.
최근 몇 년 동안 원자층 증착(ALD)은 우수한 스텝 커버리지, 원자 규모 두께 제어성, 우수한 균일성 및 비교적 낮은 증착 온도를 생성할 수 있는 유망한 접근 방식으로 등장했습니다. 이에 따라 In2의 성장은 O3 박막은 InCl3을 포함한 다양한 전구체를 사용하여 ALD를 통해 탐색되었습니다. -H2 O [12], InCl3 -H2 O2 [13], InCp-O3 [14], InCp-O2 -H2 O [15] 및 In(CH3 )3 -H2 오 [16]. InCl3의 전구체 측면에서 -H2 O 및 InCl3 -H2 O2 , In2의 증착 온도 O3 필름을 ~ 300–500 °C까지 올려야 합니다[13]. 한편, InCl3 충분한 InCl3을 얻으려면 용기를 285°C로 가열해야 합니다. 증기 [15]. 또한 부식성 HCl의 부산물은 ALD 장비를 손상시키고 증착된 In2을 에칭할 수 있습니다. O3 필름 [17], In2의 성장률 O3 0.25–0.40 Å/사이클만큼 낮습니다. TMIn-H2와 같은 다른 전구체 O 및 TMIn-H2 O2 ALD In2에 채택되었습니다. O3 필름의 경우 상대적으로 높은 성장률(1.3~2 Å/주기)에도 불구하고 증착 온도는 여전히 높습니다(즉, 200~450 °C).
이 작품에서 InCp와 H2 O2 ALD In2의 전구체로 제안되었습니다. O3 박막, 따라서 In2 O3 박막은 더 낮은 온도에서 성공적으로 증착되어 만족스러운 성장 속도를 나타냅니다. 또한, 증착된 필름의 물리적 및 화학적 특성을 특성화했습니다. 또한 In2 O3 ALD Al2이 있는 박막 트랜지스터(TFT) O3 게이트 유전체가 제작되어 7.8cm 2 의 전계 효과 이동성과 같은 우수한 전기적 성능을 보여줍니다. V −1 s −1 , 10 7 의 온/오프 전류 비율 등
Si(100) 웨이퍼는 초기 기판으로 사용되는 표준 Radio Corporation of America 프로세스를 사용하여 세척되었습니다. 2에서 O3 InCp(Fornano Electronic Technology Co., LTD, 중국, 불순물:99.999%) 및 H2 O2 (30% 수용액) 전구체를 각각 130 및 50℃에서 유지하였다. 퍼징 가스로는 질소 가스를 사용하였다. ALD In2의 기능을 시연하려면 O3 박막, In2 O3 기반 채널 TFT는 다음과 같은 공정으로 제작되었다. 첫째, 38nm Al2 O3 게이트 유전체 필름은 트리메틸알루미늄 및 H2를 사용하여 ALD에 의해 200°C에서 사전 세척된 p형 Si(100) 기판(<0.0015Ω·cm)에서 성장되었습니다. O, 그리고 이러한 저저항 실리콘 기판이 백 게이트 역할을 했습니다. 그런 다음 20nm In2 O3 채널 레이어는 Al2에서 성장했습니다. O3 160 ° C에서 필름. Ti/Au(30nm/70nm) 스택의 소스/드레인 접점은 광학 리소그래피, 전자빔 증발 및 리프트오프 공정에 의해 차례로 형성되었습니다. 마지막으로, 제작된 장치는 다른 시간 동안 공기 중에서 300°C에서 어닐링되었습니다.
In2의 결정도, 표면 형태, 원소 조성, 흡수 계수 및 두께 O3 필름은 X선 회절(XRD)(Bruker D8 Discover), 원자력 현미경(AFM)(Bruker Icon), X선 광전자 분광법(XPS)(Kratos Axis Ultra DLD), 자외선 가시광선 분광법(UV- VIS) 및 엘립소미터(Sopra GES-SE, 프랑스). 장치의 전기적 측정은 반도체 매개변수 분석기(B1500A, Agilent Technologies, Japan)와 Cascade 프로브 스테이션을 사용하여 실온의 대기에서 수행되었습니다.
그림 1a는 In2의 성장률을 보여줍니다. O3 기판 온도의 함수로서의 필름. ~ 1.46 Å/주기의 안정적인 성장률이 160 ~ 200 °C 범위에서 달성되어 ALD In2에 대한 빠른 성장률과 잘 정의된 온도 창을 나타냅니다. O3 영화. 기판 온도를 150°C로 낮추거나 210°C로 증가시키면 결과적인 성장 속도가 더 커졌습니다[19, 20]. 전자는 기판 상의 InCp의 응축에 기인한 반면, 후자는 더 높은 온도에서 InCp의 열분해에 기인한다. 또한, 기탁된 In2의 진화 O3 막 두께는 그림 1b와 같이 ALD 사이클의 함수로 평가되었습니다. In2 O3 필름 두께는 증착 사이클 수에 따라 선형으로 증가하여 매우 균일한 성장을 나타냅니다.
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아 ALD In2의 성장률 O3 기판 온도의 함수로서 Si 기판 상의 필름, 및 b In2의 종속성 O3 160°C에서 ALD 사이클 수에 대한 필름 두께
In2의 진화를 관찰하려면 O3 증착 온도에 따른 필름 질감, In2의 XRD 패턴 O3 다른 온도에서 증착된 필름은 그림 2에 나와 있습니다. 증착 온도가 160°C를 초과하지 않으면 회절 피크가 관찰되지 않습니다. 이는 입금된 In2 O3 낮은 온도의 필름은 비정질입니다. 증착 온도가 170°C까지 증가하면 일부 회절 피크가 나타나기 시작합니다. 또한, 증착 온도가 210°C로 점차 증가함에 따라 회절 피크 강도가 급격히 증가하며, 일반적으로 2θ =30.3° 및 35.4°에서 피크로 표시됩니다. 이것은 증착된 In2의 결정도와 입자 크기를 나타냅니다. O3 필름은 증착 온도가 증가함에 따라 점진적으로 향상됩니다. 그림 3은 대표적인 In2의 표면 형태를 보여줍니다. O3 다른 온도에서 증착된 필름. 증착 온도가 증가함에 따라 필름 표면이 더 거칠어지고 거칠어지는 것으로 나타났습니다. 즉, RMS(제곱평균제곱근) 거칠기는 증착 온도가 160°C에서 210°C로 증가함에 따라 0.36에서 1.15nm로 증가합니다. 이것은 In2의 결정도와 관련되어야 합니다. O3 영화. 160 °C의 증착 온도 측면에서 증착된 In2 O3 필름은 비정질이며 매우 매끄러운 표면을 나타냅니다. 증착 온도가 180°C에 도달하면 증착된 필름이 다결정이 됩니다. 이는 결과 필름에 결정립이 많이 포함되어 있고 그림 2에서 볼 수 있듯이 증착 온도가 증가함에 따라 입자 크기가 점점 더 커짐을 의미합니다. 이는 필름 표면의 힐록 크기가 관찰된 것과 잘 일치합니다. 증착 온도를 높이면 점진적으로 증가하므로 RMS 값이 증가합니다.
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In2의 X선 회절 패턴 O3 250주기 동안 다른 온도에서 증착된 필름
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In2의 AFM 이미지 O3 다른 온도에서 증착된 필름:a 160°C, b 180°C, c 200°C 및 d 210 °C 증착 주기는 각 필름에 대해 250으로 고정되었습니다.
그림 4는 In2의 고해상도 C 1 s, In 3d 및 O1s XPS 스펙트럼을 보여줍니다. O3 다른 온도에서 증착된 필름. 그림 4a에 표시된 C 1 s XPS 스펙트럼과 관련하여 160°C에서 증착된 필름은 289.8eV에서 피크를 표시하며 이는 C-O에 해당해야 합니다[21]. 증착 온도가 180 °C로 증가하면 피크가 훨씬 약해집니다. 또한, 증착 온도 200℃에서는 C 1 s 피크가 사라진다. 따라서 증착 온도가 높을수록 증착된 In2에서 C의 불순물이 적어짐을 나타냅니다. O3 영화. 그림 4b는 In2의 In 3d XPS 스펙트럼을 보여줍니다. O3 In 3d5/2와 관련된 444.7 및 452.3 eV에서 1-더블렛 가우스 피크를 명확하게 보여주는 필름 및 3d5/2에서 In2의 핵심 레벨 O3 [22, 23]. O 1 s XPS 스펙트럼은 그림 4c에 나와 있습니다. 각 샘플에 대한 O 1 s 스펙트럼은 각각 529.8, 531.0 및 532.0 eV에 위치한 3개의 피크로 잘 분리될 수 있음을 발견했습니다. 이 피크는 O 2− 에 해당합니다. 금속(O1), 산소 결손(O2) 및 -OH/CO(O3)에 각각 결합된 이온[24, 25]. 증착 온도가 160°C에서 200°C로 증가함에 따라 O1의 상대 비율은 76%에서 92%로 증가합니다. O2의 상대 비율은 16%에서 4%로 점차 감소합니다. 더욱이, O3의 상대 비율도 하향 추세를 나타냅니다. 이러한 결과는 증착 온도가 높을수록 증착된 필름의 산소 결손 농도와 수산기 및 CO 결합의 농도를 줄이는 데 유리하다는 것을 나타냅니다. 또한 In2의 원소 조성은 O3 다른 온도에서 증착된 필름은 표 1에 나열되어 있습니다. 흥미롭게도 증착된 필름에서 In/O의 원자비는 증착 온도가 증가함에 따라 정도 감소합니다. 그러나 순수한 In2의 경우에도 O3 200°C에서 증착된 필름에서 In/O의 원자 비율(1:1.36)은 화학량론적 In2의 원자 비율(1:1.5)보다 여전히 큽니다. O3 . 이것은 ALD In2 O3 필름은 일반적으로 산소 결손이 풍부합니다.
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고해상도 a C 1, b 3D 및 c O 1 s In2의 XPS 스펙트럼 O3 각각 160, 180 및 200 °C에서 증착된 필름. 외부 표면 오염 물질을 제거하기 위해 신호 수집 전에 모든 샘플을 6분 동안 제자리 Ar 이온 충격으로 에칭했습니다.
그림 5a는 (αhν) 2 의 변동을 보여줍니다. 증착된 In2에 대한 광자 에너지의 함수로서 O3 다른 증착 온도에서 필름. 광학 밴드 갭(Eg )의 2 O3 필름은 Tauc의 관계에 의해 결정될 수 있습니다. αhν =A(hν-Eg ) n [26], 여기서 α 는 흡수 계수, A 상수입니다. h 는 플랑크 상수, ν 는 빈도이고 지수 n 밴드 전환의 특성을 나타냅니다. 여기, n =1/2, In2 O3 직접적으로 허용되는 전이가 있는 반도체입니다. 이 g 직선 부분을 α에서 에너지 바이어스로 외삽하여 추출됩니다. =0. 추출된 E g 2에 대해 O3 필름은 그림 5b에 나와 있습니다. E g 증착 온도를 150°C에서 200°C로 올리면 3.42eV에서 3.75eV로 증가합니다. 증가된 E g 더 높은 증착 온도에서 증착된 필름의 산소 결손 및 C 불순물의 감소로 인해 발생할 수 있습니다. 실제로 다른 연구자들도 ZnO에 많은 산소 결손이 존재할 때 불순물 상태가 더 비편재화되고 가전자대 가장자리와 중첩되어 밴드 갭이 좁아진다고 보고했습니다[27]. 또한 증착 온도의 함수로 점차적으로 향상된 결정도는 In2의 광학 밴드 갭에 영향을 미칠 수 있습니다. O3 영화. 이것은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 증착 온도가 상승함에 따라 증착된 In2의 입자 크기가 O3 그림 2와 같이 막이 증가합니다. 따라서 막의 결정립계 밀도가 감소합니다. 전자는 결정립계에 쉽게 갇히기 때문에 In2에서 자유 전자의 수가 증가해야 합니다. O3 입자 경계가 적은 필름 [28, 29]. 따라서 이러한 증가된 전자 농도는 Burstein-Moss 이동으로 인해 더 큰 광학 밴드 갭을 초래합니다[30].
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아 (αhν) 2 의 플로팅 대 In2에 대한 광자 에너지 O3 다른 온도에서 증착된 필름; ㄴ 추출된 밴드 갭의 의존성(Eg )/2 O3 증착 온도
ALD In2의 기능을 시연하려면 O3 TFT의 채널 역할을 하는 필름, In2 O3 -원자층 증착 Al2이 있는 채널 기반 TFT O3 게이트 유전체를 제작했습니다. 그림 6a는 In2의 전송 특성을 보여줍니다. O3 TFT. 제조된 장치는 전계 효과 트랜지스터의 전형적인 스위치 특성을 나타내지 않고 소스와 드레인 사이의 도체와 같은 특성을 나타냄을 알 수 있습니다. 이것은 In2에 많은 산소 공석이 존재하기 때문입니다. O3 산소 결손이 자유 전자를 공급할 수 있기 때문입니다. 따라서 In2의 산소 결손 농도를 줄이기 위해 O3 채널, 공기 중에서 포스트 어닐링은 300 °C에서 수행되었습니다. In2 O3 TFT는 2시간 어닐링 후 일반적인 스위칭 동작을 나타냅니다. 이는 공기 중에서 사후 어닐링이 장치 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 나타냅니다. 또한, 어닐링 시간이 10h로 점차 증가함에 따라 문턱 전압(Vth ) TFT의 포지티브 바이어스 방향으로 이동하고 하위 임계값 스윙(SS)이 조금씩 향상됩니다. 그러나 어닐링 시간이 11시간으로 증가하면 장치 성능이 저하되기 시작합니다. 수소는 제조 공정 동안 필름에 통합되어 채널 또는 채널과 유전체 사이의 계면에서 -OH 결합을 형성함으로써 전자 트랩으로 작용할 수 있습니다[31]. 이러한 전자 트랩은 아마도 SS의 저하를 초래할 수 있습니다. 공기 중에서 어닐링 후, OH 결합은 O2의 혼입에 의해 감소되었습니다. 분자 [32]. 이것은 트랩 밀도를 감소시켜 장치의 SS를 향상시킬 수 있습니다. 공기 중에서 10시간 어닐링의 관점에서, In2 O3 TFT는 전계 효과 이동도를 나타냅니다(μEF )/7.8cm 2 V −1 s −1 , V번째 −3.7V의 SS, 0.32V/dec의 SS, 온/오프 전류 비율(Ion /I꺼짐 )/10 7 . 다양한 양의 게이트 전압에서 명확한 핀치 오프 및 전류 포화 동작을 보여주는 해당 출력 특성도 그림 6b에 나와 있습니다. 또한 출력 곡선은 n -유형 강화 모드. 비교를 위해 표 2에 보고된 ALD In2의 특성이 요약되어 있습니다. O3 다양한 연구 그룹의 필름 및 TFT [33,34,35,36,37]. In2 O3 막은 비교적 낮은 온도에서 우수한 성장률을 보이며 제작된 소자 역시 작은 SS를 보인다. 그러나 장치의 일반적인 성능은 그렇게 완벽하지 않으며 일부 프로세스 및 장치 구조 최적화를 통해 향상될 수 있습니다.
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아 In2의 전달 특성 O3 다른 시간 동안 공기 중에서 300°C에서 어닐링된 TFT; ㄴ In2의 출력 특성 O3 10시간 동안 공기 중에서 300°C에서 어닐링된 TFT
In2의 구성에 대한 공기 중 포스트 어닐링의 영향을 잘 이해하기 위해 O3 채널, In2 O3 필름은 서로 다른 시간 동안 300°C에서 어닐링된 다음 XPS를 사용하여 분석되었습니다. 표 3은 다양한 어닐링된 필름의 원소 비율을 나열합니다. 어닐링 시간이 2시간에서 11시간으로 증가함에 따라 In:O의 원자 비율은 1:1.22에서 1:1.48로 감소하여 화학량론적 In2의 원자 비율(1:1.5)에 점차 접근합니다. O3 . 이것은 또한 공기 중에서 어닐링 시간을 증가시키면 In2의 산소 결손 밀도가 효과적으로 감소했음을 확인합니다. O3 영화. 따라서 In2의 성능 향상 O3 TFT는 주로 벌크 채널 및/또는 채널과 유전체 사이의 계면에 위치할 수 있는 산소 결손의 패시베이션에 기인해야 합니다[25]. 그러나 과도한 어닐링은 11시간 어닐링에서 알 수 있듯이 장치의 성능을 저하시켰습니다. 이것은 In2의 결정화 변화에 기인할 수 있습니다. O3 공기 중에서 불필요한 후-어닐링 동안 Ti 전극의 산화 가능성 뿐만 아니라 채널 층. 따라서 In2의 우수한 성능을 얻기 위해서는 적절한 어닐링 시간이 필요합니다. O3 TFT.
In2의 빠른 ALD 성장 O3 필름은 InCp 및 H2를 사용하여 비교적 낮은 온도(160–200 °C)에서 달성되었습니다. O2 1.46 Å/주기의 균일한 성장 속도를 나타내는 전구체. 증착 온도가 증가함에 따라 증착 필름의 결정화가 점진적으로 향상되었다. 한편, 증착된 필름의 산소 결손과 탄소 불순물도 크게 감소했습니다. 따라서 E g 2 중 O3 . 또한 ALD In2를 사용하여 O3 채널 레이어, ALD Al2가 있는 TFT O3 유전체를 제작했습니다. 공기 중에서 후-어닐링 시간이 길어짐에 따라 In2의 전기적 성능 O3 TFT는 10시간 어닐링까지 뚜렷하게 개선되었습니다. 이는 주로 벌크 채널에 위치한 산소 결손 및/또는 공기 중에서 어닐링한 후 채널과 유전체 사이의 계면에 있는 패시베이션 때문입니다. 10시간 어닐링 측면에서 소자는 7.8cm 2 의 전계 효과 이동도와 같은 우수한 성능을 나타냈습니다. /V⋅s, 0.32V/dec의 하위 임계값 스윙 및 10 7 의 온/오프 전류 비율 . 200°C 증착 온도 측면에서 증착된 필름은 검출 가능한 탄소 없이 1:1.36의 In:O 비율을 나타내므로 증착된 필름에 산소 결손이 있음을 나타냅니다.
나노물질
초록 화염 분무 열분해는 자체 지속 화염에서 산화물 나노 입자를 생성하는 과정이었습니다. 생성된 나노입자를 기판에 증착시키면 나노구조의 산화물 박막을 얻을 수 있다. 그러나 박막의 크기는 고정된 기판에 의해 제한되는 것이 일반적이었다. 여기에서 우리는 서보 모터에 의해 정밀하게 제어되는 움직이는 기판을 사용하여 넓은 면적의 박막을 증착할 수 있음을 시연했습니다. 결과적으로 화염 팁은 기판을 스캔하고 화염 보조 인쇄(FAP)라고 하는 인쇄 프로세스와 유사하게 기판 위에 나노입자를 한 줄씩 증착할 수 있습니다. 예를 들어, 최대 20
초록 패혈증은 심각한 미생물 감염에 대한 물리적 반응과 관련된 극단적인 상태이며 치명적이고 생명을 위협하는 문제를 일으킵니다. 패혈증은 염증을 유발하고 의료 응급 상황으로 이어지는 감염과 싸우기 위해 면역 체계와 함께 혈류로 화학 물질이 방출되는 동안 생성됩니다. 탄광 비산회에서 복합 세로형 제올라이트와 산화철 나노복합체를 추출하고 패혈증 공격을 식별하기 위해 정전용량 바이오센서의 표면 특성을 개선하는 데 활용했습니다. 항-인터루킨-3(항-IL-3) 항체는 패혈증 바이오마커 IL-3와 상호작용하기 위해 아민 링커를 통해 제올라이트
