[논문]AMOLED 디스플레이 백플레인용 산화물 TFT 기술

이상렬

AMOLED 디스플레이 백플레인용 산화물 TFT 기술 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.13 no.2, 2012년, pp.2 - 10

이상렬 (청주대학교 반도체공학과)

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문제 정의

Wager 그룹에 의한 Indium-Zinc-Oxide(IZO)기반의 TFT가 보고된 바 있으며, Indium의 대체할 Material로써 Tin(Sn)을 사용한 Zinc-Tin-Oxide(ZTO)에 대한 TFT의 특성과 Passivation에 의한 TFT의 특성변화에 대한 연구결과를 발표하였지만, 매우 Conductive한 특성을 갖는 Sn을 control하는 것 또한 해결해야 할 과제중의 하나이다. 또한 주목할 만한 결과중의 하나로써, 기존에 TCO로써 이용되어지던 ITO를 Channel로 사용하고, Gate-insulator를 Ferroelectric을 사용함으로써, TFT 특성을 보고하였는데, 이는 Conducting Material의 또 다른 발전 가능성을 제시한 연구결과라고 볼 수 있다.
이 두 가지는 서로 긴밀한 상호보완적 관계에 있으면서 결코 한 연구기관이나 한 기업체에서 진행할 수 없는 광범위한 연구 인프라 및 정보교류를 필요로 하고 있다. 작년 6월 프랑스의 Strasbourg에서 개최된 저명한 국제학회인 E-MRS에서 저자가 Organizer를 하면서 옆에 앉아 있던 동경공대의 호소노교수가 삼성과 LG등 한국 굴지의 기업에서 IGZO 산화물반도체를 가지고 디스플레이에 적용한 TFT를 개발하여 결과를 발표하는 것을 보고 본인에게 물어 보며 놀라고 기뻐하는 것을 보았다. 바로 일년도 채 안 된 이야기이다.

성능/효과

채널 두께가 증가하면 Vth shift가 현저히 감소함을 확인하였다. IGZO 채널 두께가 증가함에 따른 Vth의 오른쪽 이동은 밴드갭 내의 트랩이 감소하면서 자유전자가 증가하기 때문이라는 것을 본 실험을 통해 확인하였다. 게이트 전압 및 온도 인가 시, 발생되는 Vth shift는 채널 두께 변화에 따른 트랩 변화로부터 기인됨을 확인하였으므로 Vth shift는 charge trapping mechanism을 따른다고 할 수 있겠다.
Fortunato 그룹에서는 주로 flexible electronics를 위한 상온공정에 대한 연구결과를, 한국의 연세대학교 연구팀에서는 Photo / UV- detector로의 응용가능성과, Hydrogen treatment를 통한 channel mobility향상에 대한 연구결과를 발표하였으며, 한국과학기술연구원에서는 저전압 구동소자를 위한 ZnO-TFT를 만들기 위해 BZN (Bismuth-Zinc-Niobium-Oxide)을 insulator로 이용한 TFT에 대한 연구결과를 발표했다. 이 시점까지의 연구결과를 보면, 소자의 Stability는 거의 거론되지 않았으며, ZnO기반의 TFT의 실현 가능성을 측정하던 시기로 보여 진다.
이러한 연구에 대한 일환으로써, 현재 High-k material의 단점을 보완할 수 있는 새로운 gate-insulator structure에 대한 연구로써, multi-layer structure와 hybrid structure에 대한 연구가 진행되어지고 있으며, 본 연구팀에서는 상당히 고무적인 hysteresis width(∆V=0.2 V)를 갖는 device에 대한 연구결과를 발표 중에 있으며, 같은 소자에 대해 100번 정도의 반복측정을 했음에도 불구하고 threshold voltage는 2.0±0.5V내에서 크게 벗어나지 않는 획기적인 결과를 확인했다.
[그림 15]는 채널 두께에 따른 a-IGZO TFT의 Temperature Instability를 보여준다. 채널 두께가 증가하면 Vth shift가 현저히 감소함을 확인하였다. IGZO 채널 두께가 증가함에 따른 Vth의 오른쪽 이동은 밴드갭 내의 트랩이 감소하면서 자유전자가 증가하기 때문이라는 것을 본 실험을 통해 확인하였다.
최근 산화물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 산화물반도체에 대한 관심및 연구개발이 급격히 증가하고 있다. 첫째, 기존의 Si기반의 기술로는 차세대 디스플레이소자로 각광받는 OLED를 동작시키기 위한 switching 소자로써 amorphous Si(a-Si)기반의 TFT소자의 mobility에 한계를 느꼈으며, 둘째, 기존 a-Si기반의 소자는 bias stress에 의해 threshold voltage(문턱전압)이 shift하는 현상에 의해 오동작 하는 단점이 있는데 이를 개선하기 위해서는 별도의 보정회로가 필요하게 되고, 결국 개구율과 비용적인 측면에서 한계를 극복하기 어렵기 때문이다. Excimer Laser Annealing(ELA) poly-Si TFT의 경우, a-Si TFT에 비해서 높은 이동도를 갖으며, threshold voltage shift현상이 적다는 장점을 가지고 있으나, laser annealing에 의한 polycrystalline structure를 형성함에 있어서 uniformity 가 떨어진다는 단점을 가지고 있다.

후속연구

현재까지 산화물 반도체에 대한 전세계적 연구동향을 주도면밀하게 분석하여 보면 크게 두가지 방향이 매우 중요함을 알 수 있다. 첫째는 산화물 트랜지스터의 공정 개발을 통한 신뢰성 확보 연구이며 둘째는 산화물 반도체 재료에 대한 탐색 연구이다. 이 두 가지는 서로 긴밀한 상호보완적 관계에 있으면서 결코 한 연구기관이나 한 기업체에서 진행할 수 없는 광범위한 연구 인프라 및 정보교류를 필요로 하고 있다.
대한민국은 2007년도 E-MRS를 기점으로 세계에서 산화물 반도체 분야에 논문 발표 편수가 일본을 제치고 일위의 위치를 점하기 시작하였다. 특히, [그림 16]에 보여주는 2008년도에 그리스 크레타 섬에서 개최되는 TCO 2008(www.tco2008.org) 국제학회에서 공동의 장인 저자를 비롯하여 상당수의 대한민국의 연구기관, 학계, 기업체 연구원들이 초빙을 받아 우수한 연구결과에 대해 초청연사로 발표할 예정이다. 대한민국은 일본, 미국, 유럽등과 비교하여 이 분야에 대한 연구환경이 매우 우수한 편이다.
향후 진행 되어 질 연구들에서, 앞으로 해결해야 할 부분은, 새로운 oxide-semiconductor에 대한 원천특허 확보, doping mechanism확립과, doping기술 개발, 그리고 이를 이용한 소자를 제작함에 있어서 bias와 thermal stress에 의한 stability를 보장할 수 있는 device 구조 설계 및 제작에 대한 연구가 끊임없이 진행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Oxide Semiconductor란 무엇인가?	Oxide Semiconductor는 high mobility(1 – 100 cm2/Vs)와, direct semiconductor이며, wide band-gap을 갖는 transparent한 semiconductor로써, Si기반의 소자와는 다르게 post-oxidation 현상이 발생하지 않으므로 소자의 특성변화가 적은 장점이 있다. 또한 상온에서 amorphous 또는 polycrystalline structure를 갖기 때문에, 별도로 grain을 형성하기 위한 annealing과정이 필요하지도 않으며, TFT 소자의 uniformity또한 우수한 것으로 보고되어지고 있다.
	TFT의 구조 2가지는 무엇인가?	TFT의 구조로는 크게 top-gate와 bottom-gate의 두 가지 구조가 있는데, Oxide-TFT를 제작함에 있어서 가장 큰 문제점은 신뢰성의 향상이다. top-gate구조는 channel layer가 외부로 드러나지 않기 때문에, 소자가 만들어진 후에는 외부환경에 의해 damage를 입을 확률이 적다는 것이고, active-layer가 substrate위에 바로 올라가는 구조이기 때문에 가장 안정적인 구조로 성장되기 때문에, mobility가 높다는 장점을 가지고 있다.
	Oxide Semiconductor가 별도로 grain을 형성하기 위한 annealing과정이 필요하지 않은 이유는?	Oxide Semiconductor는 high mobility(1 – 100 cm2/Vs)와, direct semiconductor이며, wide band-gap을 갖는 transparent한 semiconductor로써, Si기반의 소자와는 다르게 post-oxidation 현상이 발생하지 않으므로 소자의 특성변화가 적은 장점이 있다. 또한 상온에서 amorphous 또는 polycrystalline structure를 갖기 때문에, 별도로 grain을 형성하기 위한 annealing과정이 필요하지도 않으며, TFT 소자의 uniformity또한 우수한 것으로 보고되어지고 있다. 다만 oxide semiconductor는 oxygen-vacancies와 zincinterstitials에 의하여 normally n-type으로 보고되어지고 있으며 p-type doping이 어려운 단점을 가지고 있어서, 아직까지 CMOS type의 deivce를 구현하는 것은 숙제로 남겨지고 있다.

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신선호, 전기전자재료학회지 21, No.1., 05 (2008)

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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