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Electrical properties of passivated nanowire devices

  • Kim, Dongwook (대학원 전자전기공학과 전자전기컴퓨터공학전공)

초록/요약

Electrical properties and surface states of passivated nanowire device and device in ambient condition are investigated. As surface states of ZnO nanowire device are very sensitive and reactive to the gas environment, many reports have been extensively concluded that degradation of the device is inevitable unless proper treatments are added. ZnO is a well-known n-type semiconductor originating from the oxygen defects and Zn interstitial. The substantial oxygen vacancies on the surface cause higher probability of the adsorption of water molecules, bringing the rapid decrease of current level. PMMA is a e-beam resist which is reported to has its absorption rate as under 0.5%. As we expect PMMA coating can slow down the degradation process on the nanowire device, studies on the passivation effects with the e-beam resist are investigated by selectively covering the part of nanowire devices between the electrodes. First of all, samples for electrical transport measurements were prepared by dispersing single ZnO nanowires with Ti/Au electrodes using electron beam lithography. The electrodes consist of more than three to make multiple regions in one nanowire device to indicate the effect of passivation. A layer of PMMA is stacked on the device and a region opened to ambient condition on the layer is selectively formed by using negative e-beam resist. The linear current-voltage characteristics with were observed in the passivated region and the initial region to compare the extent of degradation process over time. By defining the scale of the devices and geometric parameters, a gradual degradation of conductivity monitored for specific period was derived numerically and graphically. Secondly, discussion as to the effect of passivation can be supported by simulation results. By designing individual ZnO devices with FlexPDE, we can compare the potential and surface states on the passivated region with the one in the ambient condition. Additionally, by comparing the electrical characteristics of the device depending on the geometry, possibility of maximizing effect of passivation through designing devices can be indicated. The improvement by the passivation indicates the chemisoption process which weakens the device electronically so the treatment can be applied to other oxide-containing nanowires for preserving the material as intrinsic as possible.

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초록/요약

산화아연 나노선의 전기적 특성 및 대기중 표면 상태에 대한 연구를 위해 표면이 패시베이션된 나노선 소자를 연구하였다. 산화아연 나노선의 표면 상태는 가스 환경에 매우 민감하게 반응하여, 나노선 소자의 열화는 특별한 표면 처리가 없는 한 불가피하다는 연구 결과가 다수 보고되었다. 산화아연은 산소 분자의 결함과 아연 침투 분자로부터 기인되는 n-타입 반도체의 특성을 보인다. 표면에서의 산소 분자 결함은 대기중의 물 분자의 흡수를 용이하게 하여 소자의 전류 레벨을 ᄄᅠᆯ어뜨리게 된다. 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)는 전자빔 리소그래피용 물질로서, 흡수율이 0.5% 미만으로 보고된 물질이다. PMMA 코팅이 소자의 열화를 완화시킬 것으로 기대하는 만큼, 전극 사이에 놓인 나노선 소자를 선택적으로 코팅하여 패시베이션 효과를 한 개 소자 내에서 관찰하는 연구를 수행하였다. 우선 단일 티타늄/백금 전극으로 산화아연 나노선 소자를 전자빔 리소그래피를 이용하여 제작하여, 전기적인 전달 특성을 위한 샘플을 마련하였다. 전극은 3개 이상으로 제작하여 복수의 구간을 만들어 패시베이션 효과를 관찰할 수 있도록 하였다. 전자빔 리소그래피용 물질인 PMMA 층을 디바이스 위에 선택적으로 패시베이션 한다. 선형 전류-전압 특성이 패시베이션된 구간과 공기중에 노출된 구간에서 수일간 관찰되어 열화 정도가 측정되었다. 디바이스를 구성하는 스케일과 규격 파라미터를 규정하여, 전기전도도의 열화 정도를 수치상 및 도식적으로 유도하였다. 둘째로, 패시베이션 효과에 대한 논의를 시뮬레이션 결과를 통해 뒷받침하였다. 단일 산화아연 나노선 소자를 FlexPDE 툴을 이용하여 디자인하고, 패시베이션된 구간과 공기중에 노출된 구간에 대한 전기장 분포와 소자 표면 상태를 시뮬레이션하여 비교하였다. 추가로 패시베이션 및 소자 스케일링에 따른 전기적인 특성을 관찰하여 패시베이션 효과를 극대화할 수 있는 가능성을 제시 하였다. 패시베이션에 의한 전기적 특성의 개선은 소자의 전기적 특성을 열화시키는 화학적 흡착 프로세스가 다른 산화 물질에 적용될 수 있으며, 그 물질을 최대한 본래 특성을 유지하도록 하는 데 도움을 줄 것이다.

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목차

Contents

Abstract i


Contents ⅳ


List of Figures ⅵ


List of Tables viii


1. Introduction 1


2. Overview of ZnO nanowire device
2.1. Structure and electrical properties ․․․․․․․․․․․․․․ 2 2.2. Adsorption of oxygen on the surface states ․․․․․․․․․․․ 4


3. Characteristics of passivated and opened region in nanowire FET
3.1. Theory of passivation with PMMA ․․․․․․․․․․․․․․․8
3.2. Device Fabrication
3.2.1. Synthesis of ZnO nanowires ․․․․․․․․․․․․․․․․․ 9
3.2.2. Fabrication of field effect transistors ․․․․․․․․․․․․․․11
3.2.3. Passivation process ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․13
3.3. Measurement Methods ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․14
3.4. Quantitative measurement of degradation
3.4.1. I-V characteristics ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․16
3.4.2. Degradation of Conductivity ․․․․․․․․․․․․․․․․․․20


4. Modeling of field and charge distributions in ZnO nanowire
field effect transistors
4.1. Introduction : FlexPDE simulation․․․․․․․․․․․․․․․․․24
4.2. Schematic and parameters used in simulation ․․․․․․․․․․․25
4.3. Results and discussion
4.3.1. Electric field distribution ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 29
4.3.2. I-V characteristics ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 31
4.3.3. Electrons and holes concentration․․․․․․․․․․․․․․․․․ 34

5. Conclusion 38

Reference 40

Appendix 42

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