[논문]Al Doped ZnO층 적용을 통한 ZnO 박막 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성 개선

엄기윤; 정광석; 윤호진; 김유미; 양승동; 김진섭; 이가원

doi:10.4313/jkem.2015.28.5.291

Al Doped ZnO층 적용을 통한 ZnO 박막 트랜지스터의 전기적 특성과 안정성 개선
Improvement of Electrical Performance and Stability in ZnO Channel TFTs with Al Doped ZnO Layer 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.5, 2015년, pp.291 - 294

엄기윤 (충남대학교 차세대기판학과) , 정광석 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 윤호진 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 김유미 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 양승동 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 김진섭 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 이가원 (충남대학교 전자전파정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, ZnO based oxide TFTs used in the flexible and transparent display devices are widely studied. To apply to OLED display switching devices, electrical performance and stability are important issues. In this study, to improve these electrical properties, we fabricated TFTs having Al doped Zinc Oxide (AZO) layer inserted between the gate insulator and ZnO layer. The AZO and ZnO layers are deposited by Atomic layer deposition (ALD) method. I-V transfer characteristics and stability of the suggested devices are investigated under the positive gate bias condition while the channel defects are also analyzed by the photoluminescence spectrum. The TFTs with AZO layer show lower threshold voltage ($V_{th}$) and superior sub-threshold slop. In the case of $V_{th}$ shift after positive gate bias stress, the stability is also better than that of ZnO channel TFTs. This improvement is thought to be caused by the reduced defect density in AZO/ZnO stack devices, which can be confirmed by the photoluminescence spectrum analysis results where the defect related deep level emission of AZO is lower than that of ZnO layer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 큰 반송자 농도를 가지는 AZO를 박막트랜지스터를 채널층으로 사용하여 소자의 출력값과 전기적 안정성을 향상시키려 했다. 하지만 AZO층 단독으로 채널층을 형성했을 시 높은 반송자농도에 의해 전달 특성을 나타나지 않으므로 AZO/ZnO의 적층 채널 구조의 박막트랜지스터를 제작하여 특성을 비교 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 ZnO 채널층 박막 트랜지스터에 Al doping ZnO층을 삽입하여 AZO/ZnO 이중 채널 구조를 갖는 박막 트랜지스터를 제작하였다. 높은 반송자 농도를 가진 AZO 층으로 인해 소자의 문턱전압은 -1.
를 형성하여 게이트 절연층으로 사용하였다. 원자층 증착법 (ALD)으로 AZO와 ZnO 층을 각각 100°C, 80°C 조건에서 형성하였다. ZnO의 precursor로 DEZ (diethylzinc)와 H₂O를 사용하였고, purging gas로 99.
본 논문에서는 이러한 큰 반송자 농도를 가지는 AZO를 박막트랜지스터를 채널층으로 사용하여 소자의 출력값과 전기적 안정성을 향상시키려 했다. 하지만 AZO층 단독으로 채널층을 형성했을 시 높은 반송자농도에 의해 전달 특성을 나타나지 않으므로 AZO/ZnO의 적층 채널 구조의 박막트랜지스터를 제작하여 특성을 비교 분석하였다.

대상 데이터

5, 10초이다. AZO의 precursor로 DEZ (diethylzinc)와 H₂O, TMA (trimethylaluminum)을 사용하였고, DEZ와 TMA의 사이클을 19:1로 5%의 도핑농도로 형성하였다. 이 후 소오스/드레인 lift-off 공정을 진행하기 위해 사진식각 공정으로 패턴을 형성한 후 100 nm의 Ti를 스퍼터 증착하였다.
SPM, HF 클리닝을 진행한 N+ Si 웨이퍼에 100 nm의 SiO₂를 형성하여 게이트 절연층으로 사용하였다. 원자층 증착법 (ALD)으로 AZO와 ZnO 층을 각각 100°C, 80°C 조건에서 형성하였다.
원자층 증착법 (ALD)으로 AZO와 ZnO 층을 각각 100°C, 80°C 조건에서 형성하였다. ZnO의 precursor로 DEZ (diethylzinc)와 H₂O를 사용하였고, purging gas로 99.95%의 N₂ 가스를 사용하였다. 각각의 pulse와 purging 시간은 0.
본 실험에서는 비교 소자로 ZnO 60 nm를 채널층으로 갖는 박막트랜지스터를 같은 방법으로 제작하였으며 그림 1에 process flow와 완성된 박막 트랜지스터의 구조를 나타내었다.

성능/효과

61 V로 감소였다. AZO층 내부의 Al-Al, Al-O 등의 cluster에 의한 scattering의 영향으로 소자의 전자 이동도는 0.016 cm²/Vs에서 0.01 cm²/Vs로 감소한 것으로 보였다. SS는 0.
15 V로 감소하였다. Photoluminescence spectra을 통해 AZO/ZnO 이중 채널층의 deep level emission 피크가 감소함을 확인하였다. 따라서 SS와 양전압에 의한 문턱전압 변화량의 개선은 채널 내의 결함 감소의 결과로 보인다.
01 cm²/Vs로 감소한 것으로 보였다. SS는 0.59 V/decade에서 0.44 V/decade로 개선되고 2,000초의 10 V의 positive gate bias에 의한 문턱전압 변화량 또한 2.44 V에서 2.15 V로 감소하였다. Photoluminescence spectra을 통해 AZO/ZnO 이중 채널층의 deep level emission 피크가 감소함을 확인하였다.
본 논문에서는 ZnO 채널층 박막 트랜지스터에 Al doping ZnO층을 삽입하여 AZO/ZnO 이중 채널 구조를 갖는 박막 트랜지스터를 제작하였다. 높은 반송자 농도를 가진 AZO 층으로 인해 소자의 문턱전압은 -1.09 V에서 -1.61 V로 감소였다. AZO층 내부의 Al-Al, Al-O 등의 cluster에 의한 scattering의 영향으로 소자의 전자 이동도는 0.
Photoluminescence spectra을 통해 AZO/ZnO 이중 채널층의 deep level emission 피크가 감소함을 확인하였다. 따라서 SS와 양전압에 의한 문턱전압 변화량의 개선은 채널 내의 결함 감소의 결과로 보인다.
본 연구를 통해 ZnO 채널 박막 트랜지스터에 Al을 doping함으로써 채널 내의 산소 vacancy를 감소시켜 내부 트랩량을 줄이고 소자 특성을 개선시킬 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ZnO의 문턱 전압 변화는 어떻게 발생하는가?	ZnO 내부에는 반송자 농도에 직접적인 영향을 미치는 Zn, O의 vacancy(VO, VZn) 또는 interstitial(Oi, Zni) 등의 결함이 존재하는데 이러한 결함은 동시에 반송자의 trapping site로 작용할 수 있다 [7]. 앞서 언급한 문턱 전압 변화는 주로 ZnO 박막 채널층 내부의 결함 또는 게이트 절연체와 채널층 사이의 계면에 존재하는 결함에 전자가 trapping되어 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 ZnO의 특성에 의해 In, Ga 등의 원소를 도핑하여 안정성 및 전기적 성질을 변화시키는 연구가 활발히 진행 중이다 [8].
	문턱전압의 변화가 나타날 때 발생하는 문제는?	특히 게이트 전압이나 외부 환경적인 요인에 의한 문턱전압의 변화에 대해서는 많이 보고되고 있다[5,6]. 이는 실제 회로 동작에서 출력 전류값이 게이트 전압에 따라 지속적으로 변하게 되어 디스플레이에 잔상이 남는 문제를 야기한다. ZnO 내부에는 반송자 농도에 직접적인 영향을 미치는 Zn, O의 vacancy(VO, VZn) 또는 interstitial(Oi, Zni) 등의 결함이 존재하는데 이러한 결함은 동시에 반송자의 trapping site로 작용할 수 있다 [7].
	산화물 반도체를 이용한 박막트랜지스터의 특성은?	기존의 다결정/비정질 Si을 이용한 박막트랜지스터에 비해 산화물 반도체를 이용한 박막트랜지스터는 우수한 이동도(mobility)를 가지며 공정 시 균일도가 높아 대면적공정으로 제조 원가를 절감할 수 있다. 또한 저온공정이 가능하고 넓은 밴드갭으로 투명한 특성을 가지고 있어 투명/유연 소자에 적용할 수 있다 [3,4]. OLED 구동용 트랜지스터로서 ZnO 기반의 소자는 103에서 107 정도의 on/off ratio와 0.

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