[논문]투명 산화물 반도체의 개요 및 응용

박경; 권장연

투명 산화물 반도체의 개요 및 응용 원문보기

박경 (연세대 글로벌융합기술원) , 권장연 (연세대 글로벌융합공학부)

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제안 방법

2. FHD (full high-definition)에서 UD (ultra-definition)로의 해상도 변화에 따른 화질 비교.

대상 데이터

7. 산화물 반도체 TFT를 이용하여 구현한 3.5인치 플렉시블 AMOLED 제품.
산화물 반도체 중에서 가장 주목을 받고 있는 IGZO를 이용하여 bias stress와 light stress를 동시에 가해졌을 경우가 연구되었다. 실험에 사용된 ITO 전극을 이용한 IGZO TFT 소자의 구조와 기본적인 전기적 특성을 Fig. 13에 나타내었다.
¹³⁾ Bottom-gate는 구조는 반도체 층이 외부로 노출되어 외부 환경에 민감하기 때문에 별도의 보호막이 필요하며, top-gate 구조에 비해 전자이동도가 감소한다는 문제점이 존재하지만, 기존 비정질 Si 기반의 공정과 유사하기 때문에 별도의 추가 장비 구입 없이도 용이하게 소자 제작이 가능한 장점으로 인하여 실제적으로 많이 적용되고 있다. 제작된 소자 성능은 20 cm²/Vs의 전자이동도와 0.27 V/decade의 게이트 스윙, 10⁹이상의 I_on/I_off를 나타내었으며, 실제 WXGA (1280 x RGB x 765)급 해상도를 나타내었다. 이는 노트북에 채용 중인 TFT-LCD 패널의 해상도와 동일한 수준으로 고품위의 화질특성을 제시하였다 (Fig.
최초의 산화물을 이용한 TFT 소자는 Klasense와 Koelmans가 SnO₂를 이용한 것이다.⁵⁾ 이 연구는 강유전체 성질을 갖는 게이트 절연막에 SnO₂ 산화물 반도체를 적용하여 메모리 소자로 사용하기 위한 목적이었지만, I_on/I_off가 10² 정도로 소자 특성은 좋지 못했다.

성능/효과

5인치 투명 AMOLED를 발표하였다.¹²⁾ LG 전자와 한국전자통신연구원에서 발표된 산화물 반도체는 모두 top-gate 구조를 채택하였다.
13) Bottom-gate는 구조는 반도체 층이 외부로 노출되어 외부 환경에 민감하기 때문에 별도의 보호막이 필요하며, top-gate 구조에 비해 전자이동도가 감소한다는 문제점이 존재하지만, 기존 비정질 Si 기반의 공정과 유사하기 때문에 별도의 추가 장비 구입 없이도 용이하게 소자 제작이 가능한 장점으로 인하여 실제적으로 많이 적용되고 있다.
2) 이러한 문제를 해결하기 위해 고이동도를 가지는 다결정 Si이 대체 방안으로 제안되었으나, 결정화에 필요한 고가의 장비로 인한 공정 비용 상승과 grain boundary로 인한 non-uniformity 문제는 디스플레이의 픽셀 사이의 밝기 차이를 유발하여 디스플레이에 적용하기 어려운 단점이 존재한다. 더군다나 Si 기반 공정은 필수적으로 고온의 열처리 공정을 필요로 하는데, 이와 같은 고온 공정은 향후 플렉시블 디스플레이와 같은 차세대 유연성 소자 적용에 한계로 작용한다.
따라서 기존 Mo 전극은 투명 소자 구현에 제약이 있는 반면에 ITO 전극을 사용한 소자는 투명 소자 구현에 적합한 것을 알 수 있었다. Negative BIS (NBIS) 테스트결과, 빛의 세기가 1,000 nit 이하에서는 ITO와 Mo 전극 소자 모두에서 별다른 특성 변화가 나타나지 않았지만, 빛의 세기가 1,000 nit 이상으로 강해지면 ITO 전극을 사용한 투명 IGZO TFT 소자는 급격한 off-current 증가로 인한 소자 특성 열화가 발생하였다. 이에 반해 Mo 전극을 사용한 불투명한 IGZO TFT는 별다른 특성 변화가 나타나지 않았다 (Fig.
가시광선 영역에서의 투명도를 측정한 결과, 약 80%이상의 투과도를 나타낸 반면에 Mo 전극을 사용한 소자는 약 60%의 투과도를 나타내었다. 따라서 기존 Mo 전극은 투명 소자 구현에 제약이 있는 반면에 ITO 전극을 사용한 소자는 투명 소자 구현에 적합한 것을 알 수 있었다.
가시광선 영역에서의 투명도를 측정한 결과, 약 80%이상의 투과도를 나타낸 반면에 Mo 전극을 사용한 소자는 약 60%의 투과도를 나타내었다. 따라서 기존 Mo 전극은 투명 소자 구현에 제약이 있는 반면에 ITO 전극을 사용한 소자는 투명 소자 구현에 적합한 것을 알 수 있었다. Negative BIS (NBIS) 테스트결과, 빛의 세기가 1,000 nit 이하에서는 ITO와 Mo 전극 소자 모두에서 별다른 특성 변화가 나타나지 않았지만, 빛의 세기가 1,000 nit 이상으로 강해지면 ITO 전극을 사용한 투명 IGZO TFT 소자는 급격한 off-current 증가로 인한 소자 특성 열화가 발생하였다.
하지만, 기존 Si 기반 TFT 소자의 낮은 전자이동도는 위와 같은 요구 조건을 충족시키지 못할 뿐만 아니라, 비정질 Si 박막 트랜지스터 (thin film transistor)의 경우, 구동 시간에 따라 문턱 전압 (V_th)의 심각한 이동이 발생하는 안정성 및 신뢰성 문제가 나타났다.²⁾ 이러한 문제를 해결하기 위해 고이동도를 가지는 다결정 Si이 대체 방안으로 제안되었으나, 결정화에 필요한 고가의 장비로 인한 공정 비용 상승과 grain boundary로 인한 non-uniformity 문제는 디스플레이의 픽셀 사이의 밝기 차이를 유발하여 디스플레이에 적용하기 어려운 단점이 존재한다.

후속연구

12). 결과적으로 투명 산화물 반도체 TFT의 신뢰성 평가를 위해서는 bias와 light가 동시에 가해진 상황인 전기광학 신뢰성 (Bias Illumination Stress: BIS) 평가가 반드시 이루어져야 한다.
²⁾ 이러한 문제를 해결하기 위해 고이동도를 가지는 다결정 Si이 대체 방안으로 제안되었으나, 결정화에 필요한 고가의 장비로 인한 공정 비용 상승과 grain boundary로 인한 non-uniformity 문제는 디스플레이의 픽셀 사이의 밝기 차이를 유발하여 디스플레이에 적용하기 어려운 단점이 존재한다. 더군다나 Si 기반 공정은 필수적으로 고온의 열처리 공정을 필요로 하는데, 이와 같은 고온 공정은 향후 플렉시블 디스플레이와 같은 차세대 유연성 소자 적용에 한계로 작용한다.
대부분의 산화물 반도체는 비정질임에도 불구하고 높은 전자이동도 (>10 cm²/Vs)를 나타내기 때문에 전자이동도를 높이기 위한 별도의 결정화 또는 불순물 도핑 공정을 필요로 하지 않아 추가적인 공정 비용 상승의 문제가 없으며, 박막의 비정질 특성으로 인한 우수한 균일도 특성으로 대면적 구현이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 기존 Si 공정 라인을 거의 그대로 사용할 수 있기 때문에 새로운 설비에 대한 투자 비용이 절감되는 효과도 기대된다.^1,3) 특히, 기존의 Si 반도체는 약 1.
무엇보다도 산화물 반도체를 이용한 투명전자소자에서 발생할 수 있는 신뢰성 문제에 대한 원인 규명 연구를 바탕으로 문제 해결 방안의 제시가 필요하다. 또한 산화물 반도체 재료가 디스플레이 분야 이외에도 산소 센서 또는 수분 센서로도 이용된다는 사실을 고려하면 기존 빛과 바이어스 및 온도 스트레스에 추가하여 대기 중의 산소 및 수분 등의 외부 환경 요소에 대한 소자 신뢰성까지 폭넓게 고려되어야만 총체적인 산화물 반도체 TFT 소자의 열화 메커니즘에 대한 이해가 가능할 것으로 보인다.
무엇보다도 산화물 반도체를 이용한 투명전자소자에서 발생할 수 있는 신뢰성 문제에 대한 원인 규명 연구를 바탕으로 문제 해결 방안의 제시가 필요하다. 또한 산화물 반도체 재료가 디스플레이 분야 이외에도 산소 센서 또는 수분 센서로도 이용된다는 사실을 고려하면 기존 빛과 바이어스 및 온도 스트레스에 추가하여 대기 중의 산소 및 수분 등의 외부 환경 요소에 대한 소자 신뢰성까지 폭넓게 고려되어야만 총체적인 산화물 반도체 TFT 소자의 열화 메커니즘에 대한 이해가 가능할 것으로 보인다.
3)가 필요하다. 이를 위해서는 최소 5 cm²/Vs의 전자이동도가 필요하며, 더 나아가 향후에는디스플레이 소자 제작에 있어서 약 40 cm²/Vs 이상의 전자이동도가 요구될 것으로 예상되며, 보다 현장감 있고 생동감 넘치는 화면 구현을 위해서는 초당 보여지는 화면 장수 (구동 속도)를 점차 증가시켜서 Fig. 3에서와 같이 이전 이미지의 잔상이 겹쳐보이는 이미지 겹침현상 (blur)을 현저하게 감소시킬 필요가 있다.
현재까지 산화물 반도체의 우수한 특성을 이용한 다양한 제품들이 발표되고 있다. 이와 발맞추어 넓은 밴드갭으로 인한 산화물 반도체의 투명성을 적극적으로 활용하면 전자제품, 수송산업 및 군사용 제품에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
반도체 이외에도 누설 전류 개선과 관련된 물질 도핑, 보호막 증착 및 고유전율 복합 박막 형성 등을 통한 절연막 특성 향상에 대한 연구도 주목 받고 있다. 전극용 재료에 대해서는 기존 ITO를 대신하여 이미 널리 알려진 ZnO 기반에 Al, Ga, In 또는 B 등을 첨가하여 특성을 개선시키는 방법 이외에 추가적인 도핑이나 구조적인 치환을 통하여 안정적 특성을 보이는 재료에 대한 개발이 필요하다.¹⁵⁾

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

비정질 Si 기반 소자의 낮은 전자이동도로 인한 문제는?

하지만, 이러한 비정질 Si 기반 소자는 대표적으로 dangling 결합으로 인한 낮은 전자이동도 (<1 cm2/Vs)가 차세대 고해상도 및 고성능 소자 구동에는 적합하지 않는 문제에 직면하였다. 해상도가 높아지기 위해서는 단위면적당 픽셀의 크기가 작아지는 동시에 개수는 많아져야 한다. 픽셀의 크기가 작아짐에 따라 발생할 수 있는 전기적 저항 증가는 전기 신호의 이동속도 감소를 유발하고 이는 동영상 재생에 문제를 발생시킨다. 즉, 1개의 TFT가 동작하는 시간 (TFT turn-on-time)이줄어야 하는데, 이를 위해서는 TFT 소자의 전자이동도 증가는 필수적이다. 따라서, Fig.

산화물 반도체를 이용하여 투명 소자 제작이 가능한 이유는?

1,3) 특히, 기존의 Si 반도체는 약 1.2 eV의 밴드갭 (band-gap)을 가지기 때문에 밴드갭 이상의 에너지를 가지는 가시광선 영역의 빛이 조사되었을 때, 가전자대 (valence band)의 전자가 전도대 (conduction band)로 여기 되는 현상으로 인해 대부분의 빛 에너지가 흡수되어 투과도가 떨어지는 문제가 있는 반면에 산화물 반도체는 3 eV 이상의 넓은 밴드갭을 가지기 때문에 가시광선의 흡수가 거의 일어나지 않아 투명 소자 제작이 가능하다.4)

산화물 반도체의 장점은 무엇인가?

위에 언급한 내용대로 Si은 차세대 전자기기에 적용이 어렵기 때문에 이러한 Si 기반의 TFT의 한계를 극복하고 차세대 전자기기에 요구되는 특성의 대부분을 만족하는 산화물 반도체의 필요성이 대두되었다. 대부분의 산화물 반도체는 비정질임에도 불구하고 높은 전자이동도 (>10 cm2/Vs)를 나타내기 때문에 전자이동도를 높이기 위한 별도의 결정화 또는 불순물 도핑 공정을 필요로 하지 않아 추가적인 공정 비용 상승의 문제가 없으며, 박막의 비정질 특성으로 인한 우수한 균일도 특성으로 대면적 구현이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 기존 Si 공정 라인을 거의 그대로 사용할 수 있기 때문에 새로운 설비에 대한 투자 비용이 절감되는 효과도 기대된다.

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