Improvement of Al2O3 inserted active layers on reliability of solution processed oxide thin film transistors

Abstract

최근 들어 비정질 금속 산화물 반도체는 디스플레이의 스위칭 소자로 많이 사용되고 있다. 지금까지의 디스플레이 제품은 주로 비정질 실리콘을 스위칭 소자로 구현되어 왔다. 하지만 비정질 실리콘을 이용한 디스플레이는 dangling 결합으로 인해 전자 이동자가 1 cm2/V·s 이하로 낮기 때문에 차세대 초고화질 UD 급 (Ultra definition, 4000 x 2000) 해상도와 70인치 이상의 대면적, 240 H의 고주파수 디스플레이에는 적용하기 힘든 단점이 있다. 반면 금속 산화물 반도체는 비정질 상태임에도 불구하고 10 cm2/V·s 이상의 높은 전자 이동도를 갖고, 박막의 비정질 특성으로 인한 높은 균일도 특성으로 인해 대면적 구현이 가능하며, 밴드갭이 3 eV 이상으로 높아 광학적으로 투명하기 때문에 투명 소자 제작이 가능하다. 뿐만 아니라 결정화 또는 별도의 불순물 도핑 공정이 필요 없기 때문에 가격적인 측면에서 장점을 갖는다. 특히 산화물 반도체를 진공 증착이 아닌 용액 공정을 통해 제작할 경우, 진공 설비 등의 투자 비용이 작아 가격적인 이점이 있을 뿐 아니라, 쉽게 제작 및 평가를 할 수 있다는 장점이 있다. 2003년 처음 InGaZnO가 논문으로 발표된 후 2013년에는 산화물 반도체 TFT를 이용한 OLED TV가 최초로 양산되었다. 하지만 산화물 반도체는 실리콘 계열의 TFT와는 다른 신뢰성 특성을 갖고 있고, 아직까지도 해결해야 할 문제로 남아있다. 산화물 반도체를 이용한 TFT는 게이트 전압/전류, 환경, 빛, 온도 등에 의해 TFT 소자의 특성이 이동하는 문제점이 많이 보고 되었지만, 특히 음의 게이트 전압 하에서 빛이 가해졌을 때 큰 불안정성을 나타낸다. 그 메커니즘으로는 아직 완벽하게 규명되지 않았지만 산소 결핍과 관련된 논문들이 많이 보고 되고 있다. 산소 결핍이 빛에 의해 양의 전하를 띤 산소 결핍으로 바뀌게 되고 이때 발생된 자유 전자가 음의 게이트 전압에 의해 게이트 절연막 쪽으로 이동하여 결국 트랩되는 것이 NBIS의 원인이다. 이런 빛의 의한 불안정성을 해결하기 위해 산소 결핍을 줄이기 위한 많은 연구들이 보고되었다. 본 논문에서는 반도체 체널에 절연막을 삽입하여 빛에 의해 생성된 양의 전하를 띤 산소 결핍과 홀의 이동을 방해하여 빛의 안정성을 개선하고자 한다. Indium fluoride, zinc fluoride, aluminum nitrate nonahydrate를 금속 전구체로 사용하였고, 용매로는 물을 사용하여 솔-젤 방법을 통해 전구체 용액을 합성하였고, TGA를 통해 열처리 온도를 분석한 결과 350 oC의 열처리 온도가 적절함을 확인하였다. XRD 분석을 통해 비정질 상태임을 확인하였고, TEM image를 통해 박막이 잘 형성되었음을 확인하였다. 불소가 도핑된 IZO 박막의 경우 함유되지 않은 IZO에 비해 높은 전자 이동도를 갖는 것으로 확인되었다. 불소 원자의 경우 산소 원자와 이온 반경이 비슷하기 때문에 박막내에서 불소 원자가 산소 원자와 쉽게 치환될 수 있고, 이 경우 자유전자를 발생시켜 전자 이동도에 기여하게 된다. 반도체 층에 삽입된 Al2O3 절연막이 효과적으로 빛의 의해 생성된 양의 전하를 띤 산소 결핍과 홀의 이동을 방해하는지 확인하기 위해 IZO:F 단일층 및 IZO:F, IZO:F/Al2O3 0.01 M/IZO:F, IZO:F/Al2O3 0.1 M/IZO:F 삼층 구조의 TFT를 만들어서 전기적 특성과 신뢰성 특성을 측정하였다. 먼저 IZO:F 단일층 TFT의 경우 24.5 cm2/V·s의 높은 전자 이동도를 나타내었고, IZO:F 삼층 구조 TFT의 경우 18.6 cm2/V·s의 전자 이동도를 나타냈었다. 일반적으로 반도체 층의 두께가 두꺼워질수록 source 및 drain 전극과 실제 electron path 사이의 저항인 parasitic resistance가 증가하여 전자 이동도가 낮아진다고 알려져 있다. 신뢰성 특성의 경우 IZO:F 단일층 TFT가 IZO:F 삼층 구조 TFT에 비해 NBS, NBIS, NBTIS 모두 우수한 특성을 나타내었다. 이는 반도체 층의 두께가 얇을 수록 산소 결핍의 농도가 감소하기 때문이다. IZO:F, IZO:F/Al2O3 0.01 M/IZO:F의 경우 12.7 cm2/V·s 전자 이동도를 가지며 NBS △Von = -0.5 V, NBIS △Von = -6.4 V, NBTIS △Von = -10.3 V의 신뢰성 결과를 나타내었다. 이해 반에 절연막의 두께가 두꺼운 IZO:F, IZO:F/Al2O3 0.1 M/IZO:F의 경우 10.6 cm2/V·s 전자 이동도를 가지며 NBS △Von = 0 V, NBIS △Von = -0.7 V, NBTIS △Von = -3.5 V의 향상된 신뢰성 결과를 나타내었다. 뿐만 아니라 stretched exponential model 분석을 통해 Al2O3 절연막의 두께가 두꺼울수록 charge carrier trapping time이 증가하는 것을 확인하였다. 결과적으로 Al2O3 절연막이 빛의 의한 TFT 소자의 불안정성을 개선할 수 있는 하나의 해결책이 될 수 있음을 확인하였다.