솔-젤 금속 산화물 박막 트랜지스터의 조성 설계 및 특성 최적화

Abstract

최근 하이엔드급 고해상도/고속/대면적을 가지는 디스플레이로의 시장 성장이 고성능의 전기적 특성을 요구하고 있다. 시장을 충족하는 구동소자 제작을 위해서는 적어도 3 cm2/V??s 이상의 전하 이동도가 요구되는데 기존의 Si 물질로는 어렵다. 비정질 실리콘(a-Si)은 1 cm2/V??s 미만의 낮은 이동도를 갖고 있으며 결정질 실리콘(LTPS)은 재료자체의 일정한 결정립 크기를 갖기가 어려워 전기적 특성을 균일하게 얻기 어렵다. 이와는 달리 산화물 TFT는 AMLCD나 AMOLED를 구동하기 충분한 이동도를 갖으면서도, 비정질에서도 전기적 특성이 균일하며 저온 소성이 가능하여 유연기판에 적용 가능하다는 장점이 있다. 무엇보다도 3 eV의 큰 밴드갭으로 인해 투명성 또한 지니고 있어 높은 개구율로 인해 저전력에서도 높은 밝기의 디스플레이 구동이 가능하다. 이러한 장점들로 인해 산화물 TFT는 투명 디스플레이나 유연 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이의 핵심 구동 소다로 주목받고 있다. 투명 산화물 TFT 제작을 위한 기초적인 물질로 ZnO, In2O3, SnO2 등의 투명 전도성 산화물을 들 수 있다. 이들의 금속 양이온은 (n??1)d10ns0(n≥4) 의 전자 배열을 갖고 있는 구 형태의 s 오비탈로 이뤄지는 Conduction Band 구조를 갖는다. 산화물 반도체가 비정질임에도 불구하고 높은 이동도를 갖는 이유는 이웃한 금속 양이온이 갖는 s 오비탈 간의 겹침 현상으로 인한 것으로 알려져 있다. 지금까지 Zn 계의 산화물로써 IGZO, ZTO, IZO 조성들이 산화물 TFT의 반도체 채널층으로 연구되어 왔으며 동시에 이런 조성들의 결함 조절을 이용하여 TFT 성능을 개선할 수 있다고 알려져 왔다. 한 예로 일본의 호소노 그룹에서 IGZO 조성에서의 Ga이 In이나 Sn에 비해 산소와 더 강하게 결합하는 성질이 있으므로 산소 공공을 줄임으로써 전하 농도를 효과적으로 줄인다고 발표했다. 또한 최근에 많은 연구자들이 Mg, Si, Hf, Zr, Sc, La, Y 등 다양한 조성을 첨가하여 전하 농도, 결정상, 안정성등을 갖는 IZO 조성을 발표 하고 있다. 산화물 TFT이 연구 동향 중 최근 용액 공정이 주목 받고 있는데 용액 공정은 간단하고 값이 싸며 대면적화에 매우 유리하다. 또한 비싼 진공 장비가 필요없고 잉크젯, 임프린팅, 스크린 프린팅과 같은 방법으로 직접 패터닝이 가능하다. 뿐만 아니라, 산화물 박막의 조성을 간단히 전구체의 몰비 조절로 시험 가능 하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 앞에서 다룬 내용들을 바탕으로 하여 솔-젤 공정으로 ITO 조성과 FTO 조성의 박막에 Al 및 Zn 조성을 첨가하여 전도성 물질로부터 산화물 반도체로의 변이 현상을 관찰하고 산화물 TFT로써의 조성을 최적화 하였다. 각 최적 조성에서 투명하면서 비정질인 산화물 박막을 제작할 수 있었고 각 반도체 박막 TFT 특성을 관찰하였다. 또한 비정질 산화물 박막의 물리적, 화학적, 전자적 구조를 XRD,XPS, XRR, REELS, AFM, SEM 등을 통해 관찰하였고 이러한 변이 현상에 대한 원인을 분석해 보았다. 또한 각 AITO, ZTO:F TFT 조성에서 Al와 F 조성의 효과 대해서도 제안했다. 특히 본 연구에서는 용매로써 물을 쓰는 가수 솔-젤 공정도 제안하였다. 가수 솔-젤 공정의 가수분해 및 축합 반응으로 저온에서도 우수한 성능의 산화물 TFT를 제작할 수 있었다.