현재 디스플레이 시장에서는 투명하고, 유연한 특성을 가지는 미래형 유연디스플레이가 각광 받고 있다. 더 나아가 유연디스플레이 기술은 유연한 기판을 사용하기 때문에 롤-투-롤 (roll-to-roll) 공정을 기반으로 한 저가의 대면적 대량 생산 기술을 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 디스플레이 모드에 상관없이 공통적으로 요구되는 핵심 요소로서 단위 화소의 농도의 단계 표현에 필수적인 박막 트랜지스터 (thin film transistor, ...
현재 디스플레이 시장에서는 투명하고, 유연한 특성을 가지는 미래형 유연디스플레이가 각광 받고 있다. 더 나아가 유연디스플레이 기술은 유연한 기판을 사용하기 때문에 롤-투-롤 (roll-to-roll) 공정을 기반으로 한 저가의 대면적 대량 생산 기술을 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 디스플레이 모드에 상관없이 공통적으로 요구되는 핵심 요소로서 단위 화소의 농도의 단계 표현에 필수적인 박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT) 배열 (array) 기술을 들 수 있다. 디스플레이에 사용하는 박막 트랜지스터의 채널층은 비정질 실리콘 (a-Si), 저온 다결정 실리콘 (low temperature poly silicon, LTPS), 산화물 (oxide) 반도체로 분류 할 수 있다. 비정질 Si의 경우 일반적으로 낮은 공정 온도를 가지고 넓은 영역에 걸쳐 균일한 물성을 얻을 수 있지만, 이동도가 1 cm2/Vs 수준으로 액정 구동에는 충분하나, 능동형 유기발광 다이오드 (active matrix organic light-emitting diode, AMOLED)에 사용하기에는 이동도가 충분하지 않다. 또한 비정질 Si은 바이어스 스트레스 환경 하에서 문턱전압이 변하는 단점이 있다. 다결정 실리콘은 높은 이동도와 우수한 디바이스 안정성을 가지고 있지만 디스플레이 백플레인 내에서 문턱전압의 변화가 심하여 특성 균일도가 좋지 않다. 이런 관점에서 산화물 반도체는 AMOLED용 백플레인으로서 적절한 대안이라고 볼 수 있으며, 이들을 적용한 투명 산화물반도체 TFT 소자의 이동도 개선, 장기 신뢰성 확보 등에 많은 연구가 진행 중에 있다. 그 중에서도 2003년부터 차세대 디스플레이의 드라이버 소자로 n형 비정질 산화물 반도체를 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있는데, 이들 산화물 반도체는 이동도가 기존에 사용되는 비정질 실리콘이나 유기반도체 보다 높아 디스플레이 구동 회로 집적에 유리하다. 전자배치가 (n-1)d10ns0 (n＞4)의 구조를 갖는 중금속 양이온을 포함하는 산화물 반도체는 화학적 조성의 변화를 통해 도핑, 산소 공공의 조절을 통하여 반도체 특성을 갖는 비정질 투명 산화물을 만들 수 있다. 최근에는 TFT의 채널 레이어로 산화인듐 (induim oxide)과 산화 아연 (zinc oxide)을 기반으로 한 물질들이 연구되었다. 2004년 일본의 Hosono 그룹에서 유연하고 투명한 비정질 InGaZnO 박막 트랜지스터를 발표한 이후 많은 연구가 진행 되고 있다. InGaZnO 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터의 전하이동도는 최고 90 cm2/Vs 이상을 갖고 on-to-off current ratio는 106 이상이 보고되고 있어서 기존 박막 트랜지스터로 사용되고 있는 비정질 실리콘 또는 다결정 Si 반도체보다 특성이 우수하거나 비슷할 수 있다. 산화물 반도체 InGaZnO 재료에서 In2O3는 이동도 개선제, ZnO 네트워크 형성제, Ga2O3는 전하 억제 및 네트워크 안정제로 역할을 한다. 하지만 인듐 (In)과 갈륨 (Ga)의 매장량 한계의 문제와 비싼 가격으로 인해 대체 물질 연구가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 현재 인듐, 갈륨이 포함 되지 않거나 미량으로 넣은 새로운 다성분계 채널재료에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. ZnO는 3.35 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있어 가시광 영역에서 85 % 이상의 투과도를 나타내기 때문에 투명 디스플레이에 적용이 가능하고 낮은 감광성을 가질 뿐만 아니라 화학적으로도 매우 안정한 무독성물질이다. 또한 높은 캐리어 밀도를 지니며 ZnO는 상온에서도 결정성을 가지기 쉽다. 또한 ZnO 기반의 산화물 반도체는 실리콘 기반의 반도체에 비해 전기적 특성이 우수하고 일정한 성능의 소자 특성을 나타내고 있기 때문에 대면적에 적용을 위한 스위칭 소자의 활성채널층 물질로 큰 주목을 받고 있다. 현재 대부분의 높은 전기적 특성과 재현성을 가지는 ZnO 기반의 산화물 반도체는 RF마그네트론 스퍼터링 (radio frequency magnetron sputerring), 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 화학 증착법 (pulsed laser deposition, PLD), 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD) 등과 같은 고가의 진공장비와 포토리소그래피 공정 등에 의해 패턴을 형성하게 되어 제조 비용이 높고 대면적 공정에 적합하지 않다[5]. 따라서 산화물 반도체의 제조 단가를 낮추기 위해서는 새로운 박막 형성 방법이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 저온 용액 공정을 이용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 용액 공정은 유연한 기판에 박막을 성장시킬 수 있으며 이를 통해 대량 생산 및 대면적 성장이 가능하다. 용액 공정의 종류로는 sol-gel 법, 유기금속분해법 (metal organic decomposition), 나노입자 분산 욕조법 (chemical bath deposition) 등이 있다. 이러한 용액 공정을 통한 산화물 반도체 성장에서는 졸-겔 (sol-gel) 법이 대부분을 차지하고 있다. 졸-겔을 이용한 산화물 반도체 공정은 열처리 온도가 비교적 높은 편인데, ZnO 기반의 소자를 제작하는 경우 500∼600 ℃ 정도의 온도가 필요한 것으로 보고 되고 있다. 본 연구에서는, 용액공정인 졸-겔 법으로 ZnSnO에 In은 첨가시켜 박막 트랜지스터를 제작하였다. In은 s-오비탈이 커서 비정질 상태에서도 s-오비탈의 겹침이 크기 때문에 전자가 쉽게 이동할 수 있어서 전기적 특성을 향상시켜 줄 수 있을 것으로 예상하였다 이를 위해 In의 함량과 열처리 온도에 따른 특성을 살펴보았다.
현재 디스플레이 시장에서는 투명하고, 유연한 특성을 가지는 미래형 유연디스플레이가 각광 받고 있다. 더 나아가 유연디스플레이 기술은 유연한 기판을 사용하기 때문에 롤-투-롤 (roll-to-roll) 공정을 기반으로 한 저가의 대면적 대량 생산 기술을 실현할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 디스플레이 모드에 상관없이 공통적으로 요구되는 핵심 요소로서 단위 화소의 농도의 단계 표현에 필수적인 박막 트랜지스터 (thin film transistor, TFT) 배열 (array) 기술을 들 수 있다. 디스플레이에 사용하는 박막 트랜지스터의 채널층은 비정질 실리콘 (a-Si), 저온 다결정 실리콘 (low temperature poly silicon, LTPS), 산화물 (oxide) 반도체로 분류 할 수 있다. 비정질 Si의 경우 일반적으로 낮은 공정 온도를 가지고 넓은 영역에 걸쳐 균일한 물성을 얻을 수 있지만, 이동도가 1 cm2/Vs 수준으로 액정 구동에는 충분하나, 능동형 유기발광 다이오드 (active matrix organic light-emitting diode, AMOLED)에 사용하기에는 이동도가 충분하지 않다. 또한 비정질 Si은 바이어스 스트레스 환경 하에서 문턱전압이 변하는 단점이 있다. 다결정 실리콘은 높은 이동도와 우수한 디바이스 안정성을 가지고 있지만 디스플레이 백플레인 내에서 문턱전압의 변화가 심하여 특성 균일도가 좋지 않다. 이런 관점에서 산화물 반도체는 AMOLED용 백플레인으로서 적절한 대안이라고 볼 수 있으며, 이들을 적용한 투명 산화물반도체 TFT 소자의 이동도 개선, 장기 신뢰성 확보 등에 많은 연구가 진행 중에 있다. 그 중에서도 2003년부터 차세대 디스플레이의 드라이버 소자로 n형 비정질 산화물 반도체를 이용하고자 하는 연구가 진행되고 있는데, 이들 산화물 반도체는 이동도가 기존에 사용되는 비정질 실리콘이나 유기반도체 보다 높아 디스플레이 구동 회로 집적에 유리하다. 전자배치가 (n-1)d10ns0 (n＞4)의 구조를 갖는 중금속 양이온을 포함하는 산화물 반도체는 화학적 조성의 변화를 통해 도핑, 산소 공공의 조절을 통하여 반도체 특성을 갖는 비정질 투명 산화물을 만들 수 있다. 최근에는 TFT의 채널 레이어로 산화 인듐 (induim oxide)과 산화 아연 (zinc oxide)을 기반으로 한 물질들이 연구되었다. 2004년 일본의 Hosono 그룹에서 유연하고 투명한 비정질 InGaZnO 박막 트랜지스터를 발표한 이후 많은 연구가 진행 되고 있다. InGaZnO 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터의 전하이동도는 최고 90 cm2/Vs 이상을 갖고 on-to-off current ratio는 106 이상이 보고되고 있어서 기존 박막 트랜지스터로 사용되고 있는 비정질 실리콘 또는 다결정 Si 반도체보다 특성이 우수하거나 비슷할 수 있다. 산화물 반도체 InGaZnO 재료에서 In2O3는 이동도 개선제, ZnO 네트워크 형성제, Ga2O3는 전하 억제 및 네트워크 안정제로 역할을 한다. 하지만 인듐 (In)과 갈륨 (Ga)의 매장량 한계의 문제와 비싼 가격으로 인해 대체 물질 연구가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 현재 인듐, 갈륨이 포함 되지 않거나 미량으로 넣은 새로운 다성분계 채널재료에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. ZnO는 3.35 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지고 있어 가시광 영역에서 85 % 이상의 투과도를 나타내기 때문에 투명 디스플레이에 적용이 가능하고 낮은 감광성을 가질 뿐만 아니라 화학적으로도 매우 안정한 무독성물질이다. 또한 높은 캐리어 밀도를 지니며 ZnO는 상온에서도 결정성을 가지기 쉽다. 또한 ZnO 기반의 산화물 반도체는 실리콘 기반의 반도체에 비해 전기적 특성이 우수하고 일정한 성능의 소자 특성을 나타내고 있기 때문에 대면적에 적용을 위한 스위칭 소자의 활성채널층 물질로 큰 주목을 받고 있다. 현재 대부분의 높은 전기적 특성과 재현성을 가지는 ZnO 기반의 산화물 반도체는 RF 마그네트론 스퍼터링 (radio frequency magnetron sputerring), 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 화학 증착법 (pulsed laser deposition, PLD), 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD) 등과 같은 고가의 진공장비와 포토리소그래피 공정 등에 의해 패턴을 형성하게 되어 제조 비용이 높고 대면적 공정에 적합하지 않다[5]. 따라서 산화물 반도체의 제조 단가를 낮추기 위해서는 새로운 박막 형성 방법이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 저온 용액 공정을 이용한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 용액 공정은 유연한 기판에 박막을 성장시킬 수 있으며 이를 통해 대량 생산 및 대면적 성장이 가능하다. 용액 공정의 종류로는 sol-gel 법, 유기금속분해법 (metal organic decomposition), 나노입자 분산 욕조법 (chemical bath deposition) 등이 있다. 이러한 용액 공정을 통한 산화물 반도체 성장에서는 졸-겔 (sol-gel) 법이 대부분을 차지하고 있다. 졸-겔을 이용한 산화물 반도체 공정은 열처리 온도가 비교적 높은 편인데, ZnO 기반의 소자를 제작하는 경우 500∼600 ℃ 정도의 온도가 필요한 것으로 보고 되고 있다. 본 연구에서는, 용액공정인 졸-겔 법으로 ZnSnO에 In은 첨가시켜 박막 트랜지스터를 제작하였다. In은 s-오비탈이 커서 비정질 상태에서도 s-오비탈의 겹침이 크기 때문에 전자가 쉽게 이동할 수 있어서 전기적 특성을 향상시켜 줄 수 있을 것으로 예상하였다 이를 위해 In의 함량과 열처리 온도에 따른 특성을 살펴보았다.
In this study, we have fabricated In-Zn-Sn-O (IZTO) thin films as an active channel layer in thin film transistors (TFTs) by simple and cost-effective sol-gel spin-coating method. The effect of In addition in Zn-Sn-O (ZTO) thin films was investigated. The active channel layer was synthesized with pr...
In this study, we have fabricated In-Zn-Sn-O (IZTO) thin films as an active channel layer in thin film transistors (TFTs) by simple and cost-effective sol-gel spin-coating method. The effect of In addition in Zn-Sn-O (ZTO) thin films was investigated. The active channel layer was synthesized with precursor of indium zinc tin solution and then annealed at various temperatures. The device had inverted staggered structure of Al / InZnSnO / SiO2 / p+-Si substrate. As the In content in IZTO films was increased, consequently the carrier concentration was increased and on-off ratio was decreased which makes it inappropriate to be used as a switching device. However, the best performance was obtained at 0.01 M In composition. At relatively low annealing temperature of 400 ℃ and 500 ℃ the IZTO films remained amorphous phase. The thin films exhibited a very uniform and smooth morphology with a thickness of around 25 ㎚. At temperatures above 600 ℃ the formation of nanocrystals was confirmed by the TEM images. As the temperature was further increased RMS value was also increased. The best electric field mobility was achieved at 600 ℃, however the overall performance was obtained at 500 ℃.
In this study, we have fabricated In-Zn-Sn-O (IZTO) thin films as an active channel layer in thin film transistors (TFTs) by simple and cost-effective sol-gel spin-coating method. The effect of In addition in Zn-Sn-O (ZTO) thin films was investigated. The active channel layer was synthesized with precursor of indium zinc tin solution and then annealed at various temperatures. The device had inverted staggered structure of Al / InZnSnO / SiO2 / p+-Si substrate. As the In content in IZTO films was increased, consequently the carrier concentration was increased and on-off ratio was decreased which makes it inappropriate to be used as a switching device. However, the best performance was obtained at 0.01 M In composition. At relatively low annealing temperature of 400 ℃ and 500 ℃ the IZTO films remained amorphous phase. The thin films exhibited a very uniform and smooth morphology with a thickness of around 25 ㎚. At temperatures above 600 ℃ the formation of nanocrystals was confirmed by the TEM images. As the temperature was further increased RMS value was also increased. The best electric field mobility was achieved at 600 ℃, however the overall performance was obtained at 500 ℃.
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