[논문]산화물 반도체와 타원법

김상준

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김상준 ((주)엘립소테크놀러지 연구개발부)

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문제 정의

본고에서는 디스플레이에 적용되는 산화물 반도체의 특성과 산화물 반도체를 분석하기 위한 방법으로서의 광학적 방법인 타원법의 기본적인 내용과 응용에 대하여 얘기하고자 한다.

제안 방법

LCD 패널에 잉크젯을 이용하여 투명 물질을 코팅하고 이를 SE로 측정하였다. 가시광 영역의 결과는 LCD 패널의 패턴에 의한 산란과 다른 여러 박막들에 의한 두께로 매우 빠른 오실레이션 형태의 측정 결과를 보이고 있어 잉크젯의 양에 따른 변화를 확인하기 어렵다.
결정질 실리콘 기판 위에 올라간 IGZO 산화물 반도체를 SE를 이용한 측정 분석 결과. c-Si 기판 위의 자연 산화막(Native Oxide)의 두께와 함께 IGZO의 두께와 복소 굴절률을 얻었다. (a) 결정질 실리콘 기판 위의 IGZO박막의 TEM 이미지, (b) SE로 측정된 IGZO/c-Si 시료의 타원 상수, (c) Tauc-Lorentz 분산관계식과 모델링 과정을 통해 분석된 최종 결과.
◎ SE를 활용한 분석 예 1 : 투명 기판인 PET 위에 나노 사이즈의 Silica 입자를 부착하여 낮은 굴절률을 갖는 박막을 만들기 위한 시료를 SE를 활용하여 분석하였다. PET 기판에 Silica 입자가 바로 부착되기 어렵기 때문에 치밀한 SiO₂ 박막(Layer01)을 성장시키고, 그 위에 Silica 입자를 성기게 부착하였다.
◎ SE를 활용한 분석 예 2 : GaN Wafer를 만들기 위해 결정질 실리콘 기판 위에 AlN를 올리고 그 위에 AlGaN층을 올린 후 AlN과 GaN층을 다층으로 형성한 시료를 SE로 측정한 후 각 층의 두께와 굴절률 및 조밀도를 분석하였다.
전극 재료로 사용된 π-결합 금나노입자가 전도성 금속 층의 상온 증착을 가능하게 하였다. 연구진은 전하 전달을 할 수 있는 평면 방향족 분자로 둘러싸여진 나노입자를 개발함으로써 나노입자들을 안정화 시키는데 필요하지만 최종 열처리에서 제거되는 비-전도성 리간드 분자들 없이 나노입자를 안정화시키는 방법을 발견했다. 금 나노입자는 순수한 금과 유사한 약 9 × 10^-6 Ω cm의 저항을 가진다.
일본 국립 재료 과학 연구소(National Institute for Materials Science)와 오카야마 대학(Okayama University)의 연구진은 상온 프린팅 방법으로 사용될 수 있는 나노입자 잉크를 개발했다. 이 연구는 상온 프린팅 방법을 채택하였는데, 열처리 과정 없이 상온에서 프린팅하여 TFT 제작하였다. 전극 재료로 사용된 π-결합 금나노입자가 전도성 금속 층의 상온 증착을 가능하게 하였다.

대상 데이터

연구진은 상온에서 유연한 폴리머와 종이 기판 위에 유기 박막 트랜지스터를 프린트하기 위해서 나노입자 잉크를 사용했고, 폴리머와 종이에 각각 7.9 cm2/V · s와 2.5 cm2/V · s의 이동도를 가진 TFT를 제작했다.

성능/효과

Silica 입자를 성기게 분포시켰기 때문에 TEM 이미지에서 볼 수 있는 것과 같이 부분적으로 빈 공간이 존재하는 형태로 형성되었으며 이는 Layer02와 Layer03에서 Air(굴절률 ≅ 1.0)의 분포가 약 46%~66% 존재하는 층으로 표현되었다.
결정질 실리콘 기판 위에 올라간 IGZO 산화물 반도체를 SE를 이용하여 측정한 후 Tauc-Lorentz 분산 관계식과 기준 데이터를 이용하여 분석 한 결과 TEM 이미지상의 두께는 64.5 nm이나 SE 분석 결과는 66.3 nm 로 약간의 차이가 발생하였는데 이는 TEM으로 측정한 위치와 SE로 측정한 위치간의 편차에 의해 발생한 것으로 판단된다. TEM 측정의 경우 두께 측정을 위해 시료를 파손 하여야 하지만 SE는 시료 파손 없이 IGZO 시료의 두께와 복소 굴절률 정보를 얻을 수 있다.

후속연구

하지만 멀지 않은 미래에 기술이 개발됨에 따라 꿈의 디스플레이로 불리는 두루마리형 디스플레이가 시장에 출현할 것으로 예견된다. 플렉서블 디스플레이 기술은 유연한 기판을 사용하기 때문에 Roll-to-Roll 공정을 기반으로 저가의 대면적 대량 생산될 것으로 기대된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

디스플레이란 무엇인가?

외부와 사람을 연결하는 중요한 감각 기관이 눈이기 때문에 디스플레이는 사람의 의식과 외부를 연결하는 중요한 매개체 역할을 하고 있다. 디스플레이는 가상 혹은 현실의 정보를 전달함으로써 사람과 기계, 사람과 사람을 연결시켜 주는 중요한 장치로, IT기기의 중심점 역할을 확대하고 있다. 디스플레이는 전 세계 IT, 의료, 방송 등 다양한 산업발전 측면에서 상당히 높은 비중을 차지하고 있다.

눈은 어떠한 부분들로 구성되어 있는가?

안구의 크기는 약 7 g 정도로 탁구공 혹은 골프공만 한 크기를 갖고 있지만, 그 기능은 현재까지 개발된 어느 인공적인 자동카메라보다 우수하다. 눈은 생체렌즈(각막과 수정체)와 조리개 역할을 하는 홍채와 필름역할을 하는 망막, 셔터역할을 하는 눈꺼풀 등등 여러 부분으로 구성되어 있다. 우리는 눈으로 사물을 보고, 인지하는 것으로 생각을 한다.

게이트 단자의 배치 위치에 따른 박막 트랜지스터의 종류는?

박막 트랜지스터의 박막이라는 용어는 트랜지스터를 구성하는 반도체층이나 게이트 절연막, 전극, 보호 절연막 들이 진공 증착이나 스퍼터링, 플라즈마를 이용한 화학 증착법(플라즈마 CVD)으로 유리나 석영같은 기판 위에 얇은 막을 형성하여서 유래되었다. 게이트 단자의 배치 위치에 의하여 Staggered형, Inverted Staggered형, Coplanar형, Inverted Coplanar형으로 크게 4가지 종류 형태가 있다. Inverted형은 게이트 단자가 서브 스트레이트 부분에 붙어 있고, Staggered형은 채널층과 어긋난 축으로 드레인 및 소스 단자가 추가되어 있으며, Coplanar형은 채널층 옆에 직접 붙일 수 있는 형태로 드레인 및 소스 단자를 붙일 수 있는 특징이 있다 [1].

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