[논문]투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터의 제작 및 전기적 특성

박석형; 조경아; 오현곤; 김상식

doi:10.4313/jkem.2016.29.2.120

투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터의 제작 및 전기적 특성
Fabrication and Electrical Characteristics of Transparent and Bendable a-IGZO Thin-film Transistors 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.2, 2016년, pp.120 - 124

박석형 (고려대학교 전기전자공학과) , 조경아 (고려대학교 전기전자공학과) , 오현곤 (고려대학교 전기전자공학과) , 김상식 (고려대학교 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we fabricate transparent and bendable a-IGZO (amorphous indium gallium zinc oxide) TFTs (thin-film transistors) with a-IZO (amorphous indium zinc oxide) transparent electrodes on plastic substrates and investigate their electrical characteristics under bending states. Our a-IGZO TFTs show a high transmittance of 82% at a wavelength of 550 nm. And these TFTs have an $I_{on}/I_{off}$ ratio of $1.8{\times}10^8$, a field effect mobility of $15.4cm^2/V{\cdot}s$, and a subthreshold swing of 186 mV/dec. The good electrical characteristics are retained even after bending with a curvature radius of 18 mm corresponding to a strain of 0.5% owing to mechanical durability of the transparent electrodes used in this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

저온 스퍼터링 방법으로 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터의 좋지 않은 전기적 특성은 주로 전극과 채널층의 계면에서 발생하는 접촉저항이 원인으로 여겨지고 있다 [10]. 따라서 본 연구에서는 그 접촉저항문제를 고온 열처리가 아닌 유연기판에 적용이 가능한 방법으로, 동일한 계열의 물질로 채널과 전극물질을 사용하고, top-gate coplanar 구조를 가진 고성능 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터를 제작하고자 한다. 현재까지 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터에 대한 연구에서, 동일한 계열의 물질로 채널과 전극물질을 채택하여 성능을 개선시키고자 하는 연구는 오직 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터에 대해서만 진행되어 왔다 [8,9].
그러나 차세대 투명 유연 전자소자 분야의 적용을 확대하기 위해서는 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터뿐만 아니라 top-gate coplanar 구조의 박막트랜지스터에 대한 연구가 필요하다. 또한 본 연구에서는 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터가 외부에서 인가되는 스트레스 상태에서도 안정적인 동작특성을 가지는 이유에 대해 알아보고자 한다.

제안 방법

20 μm 길이를 갖는 소스-드레인 전극은 IZO (In2O3:ZnO = 90:10 wt%) 타겟을 이용하여 RF 스퍼터링 방법으로 120 W에서, Ar 가스를 50 sccm 흘리면서 50분 간 증착하였다.
마지막으로 게이트 전극인 a-IZO를 소스-드레인 전극과 동일한 증착 방법으로 형성하였다. a-IGZO 박막트랜지스터의 전기적 특성은 HP4155C로 측정되었으며, 플라스틱 기판 위에 증착된 a-IZO 전극의 면저항은 Dasol Engineering FPP-2400으로 측정하였다. 기판과 박막트랜지스터의 광투과도는 Agilent Cary-5000을 이용하여 측정하였으며, 기판과 박막 (a-IZO, Al₂O₃)의 Young’s modulus는 각각 universal testing machine 과 nano-indenter (Agilent, nano indenter G200)를 이용하여 측정하였다.
게이트 절연막으로 구성되고 플라스틱 기판 위에 제작되었다. a-IGZO 채널은 IGZO (In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO = 1:1:1 mol%) 타겟을 이용하여, 3 mTorr 압력에서 RF 스퍼터링 방법으로 10분간 증착하였다. 20 μm 길이를 갖는 소스-드레인 전극은 IZO (In₂O₃:ZnO = 90:10 wt%) 타겟을 이용하여 RF 스퍼터링 방법으로 120 W에서, Ar 가스를 50 sccm 흘리면서 50분 간 증착하였다.
기판과 박막트랜지스터의 광투과도는 Agilent Cary-5000을 이용하여 측정하였으며, 기판과 박막 (a-IZO, Al2O3)의 Young’s modulus는 각각 universal testing machine 과 nano-indenter (Agilent, nano indenter G200)를 이용하여 측정하였다.
게이트 절연막인 Al₂O₃ 박막은 ALD (atomic layer deposition)로 150°C에서 trimethyl aluminum과 H₂O 소스를 이용하여 증착되었으며, 그 두께는 36 nm이었다. 마지막으로 게이트 전극인 a-IZO를 소스-드레인 전극과 동일한 증착 방법으로 형성하였다. a-IGZO 박막트랜지스터의 전기적 특성은 HP4155C로 측정되었으며, 플라스틱 기판 위에 증착된 a-IZO 전극의 면저항은 Dasol Engineering FPP-2400으로 측정하였다.
본 연구에서는 플라스틱 기판 위에 a-IZO 투명 전극과 a-IGZO 채널을 사용하여 top-gate coplanar 구조의 고성능 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터를 제작하고, 외부 스트레스 상태에 따른 전기적 특성을 확인하였다. 투명 유연 박막트랜지스터는 15.
앞서 서술한 바와 같이 본 연구의 a-IGZO 박막 트랜지스터 구성 물질 중에서 외부 스트레인에 가장 취약하고 가장큰 Young’s modulus를 가진 물질은 a-IZO 전극으로, 이 전극에 대한 밴딩 신뢰성 평가를 진행하였다.

대상 데이터

df, ds, Yd, Ys의 수치는 각각 250 nm, 200μm이고, 기판의 Young’s modulus는 1.7 GPa이며 박막트랜지스터의 Young’s modulus는 외부 스트레인에 가장 취약한 a-IZO의 Young’s modulus (119 GPa)을 사용하였다.
게이트 절연막인 Al2O3 박막은 ALD (atomic layer deposition)로 150°C에서 trimethyl aluminum과 H2O 소스를 이용하여 증착되었으며, 그 두께는 36 nm이었다.
7 GPa이며 박막트랜지스터의 Young’s modulus는 외부 스트레인에 가장 취약한 a-IZO의 Young’s modulus (119 GPa)을 사용하였다. 본 연구에서 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터는 18 mm 곡률 반경일 때 약 0.5%의 스트레인을 받게 된다. I_DS-V_GS 그래프를 보면 밴딩 전 평평한 상태와 비교하여 인장/압축 상태/밴딩 후 평평한 상태에도 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서의 a-IGZO 박막트랜지스터는 a-IGZO 채널과 IZO (indium zinc oxide) 투명전극 및 Al₂O₃ 게이트 절연막으로 구성되고 플라스틱 기판 위에 제작되었다. a-IGZO 채널은 IGZO (In₂O₃:Ga₂O₃:ZnO = 1:1:1 mol%) 타겟을 이용하여, 3 mTorr 압력에서 RF 스퍼터링 방법으로 10분간 증착하였다.

성능/효과

4 cm²/V·s 의 높은 전계효과 이동도와 186 mV/dec의 낮은 SS값을 확인하였다. 0.5%의 외부 스트레인이 가해진 밴딩 전/후로 박막트랜지스터의 전기적 특성이 일정하게 유지하는 것을 확인하였다. 또한, 외부에서 스트레인이 가해지면 박막트랜지스터를 구성하는 부분 중 가장 취약한 a-IZO전극의 특성이 1,000회의 밴딩 후에도 일정한 것을 통해, 고성능 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터가 우수한 기계적 내구성을 가짐을 확인하였다.
5%의 스트레인을 받게 된다. I_DS-V_GS 그래프를 보면 밴딩 전 평평한 상태와 비교하여 인장/압축 상태/밴딩 후 평평한 상태에도 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 그림 3(b)는 밴딩 상태에 따른 문턱전압과 전계효과 이동도를 정리한 것으로, 밴딩 후에도 특성 변화가 없다는 것을 보여준다.
5 Ω/□의 낮은 값을 가지며, 1,000회의 밴딩 후에도 면저항 비가 일정하게 유지되었다. a-IGZO 박막트랜지스터에서 외부 스트레스에 가장 취약한 부분인 a-IZO전극의 전기적 특성이 1,000회의 반복되는 밴딩 후에도 변화가 없다는 사실로부터, 본 연구에서 제작된 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터의 전기적 특성이 0.5%의 높은 외부 스트레인에도 불구하고 그 특성에 변화가 없다는 것을 설명할 수 있다.
5%의 외부 스트레인이 가해진 밴딩 전/후로 박막트랜지스터의 전기적 특성이 일정하게 유지하는 것을 확인하였다. 또한, 외부에서 스트레인이 가해지면 박막트랜지스터를 구성하는 부분 중 가장 취약한 a-IZO전극의 특성이 1,000회의 밴딩 후에도 일정한 것을 통해, 고성능 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터가 우수한 기계적 내구성을 가짐을 확인하였다.
본 연구에서 제작된 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터가 고온에서 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터 [8] 보다 높은 전계효과 이동도를 가지는 것은, 구조적인 차이와 게이트 절연막과 채널과의 계면상태에 기인한다고 여겨진다. 본 연구에서 사용한 게이트 절연막은 ALD방법으로 증착된 Al₂O₃ 박막으로, 증착방법의 특성상 채널위에 conformal하게 증착되어 채널과의 계면에서 결함을 줄일 수 있다. 반면 G.
본 연구에서 제작된 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터는 현재까지 보고된 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터에 비해 탁월한 전기적 특성을 가지는 것으로 밝혀졌다 (표 1). 본 연구에서 제작된 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터가 고온에서 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터 [8] 보다 높은 전계효과 이동도를 가지는 것은, 구조적인 차이와 게이트 절연막과 채널과의 계면상태에 기인한다고 여겨진다.
투명 유연 박막트랜지스터는 15.4 cm2/V·s 의 높은 전계효과 이동도와 186 mV/dec의 낮은 SS값을 확인하였다.
평평한 상태에서 a-IZO 전극의 면저항은 23.5 Ω/□의 낮은 값을 가지며, 1,000회의 밴딩 후에도 면저항 비가 일정하게 유지되었다.

후속연구

이것은 일반적으로 디스플레이 구동소자로 적용되는 박막트랜지스터의 구조가 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터이기 때문이다. 그러나 차세대 투명 유연 전자소자 분야의 적용을 확대하기 위해서는 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터뿐만 아니라 top-gate coplanar 구조의 박막트랜지스터에 대한 연구가 필요하다. 또한 본 연구에서는 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터가 외부에서 인가되는 스트레스 상태에서도 안정적인 동작특성을 가지는 이유에 대해 알아보고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터에 대한 성능개선 연구 중 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터에 대한 연구만 진행된 이유는?	현재까지 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터에 대한 연구에서, 동일한 계열의 물질로 채널과 전극물질을 채택하여 성능을 개선시키고자 하는 연구는 오직 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터에 대해서만 진행되어 왔다 [8,9]. 이것은 일반적으로 디스플레이 구동소자로 적용되는 박막트랜지스터의 구조가 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터이기 때문이다. 그러나 차세대 투명 유연 전자소자 분야의 적용을 확대하기 위해서는 bottom-gate staggered 구조의 박막트랜지스터뿐만 아니라 top-gate coplanar 구조의 박막트랜지스터에 대한 연구가 필요하다.
	저온 스퍼터링 방법으로 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터의 좋지않은 전기적 특성의 원인은?	투명성뿐만 아니라 유연성을 가진 고성능 a-IGZO 박막트랜지스터를 제작하기 위해서는 유연기판의 변형온도 이하에서 제작이 이루어져야하나, 고온 후열처리를 거치지 않고서는 저온 스퍼터링 방법으로 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터의 우수한 전기적 특성은 확보되기 어렵다. 저온 스퍼터링 방법으로 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터의 좋지 않은 전기적 특성은 주로 전극과 채널층의 계면에서 발생하는 접촉저항이 원인으로 여겨지고 있다 [10]. 따라서 본 연구에서는 그 접촉저항문제를 고온 열처리가 아닌 유 연기판에 적용이 가능한 방법으로, 동일한 계열의 물질로 채널과 전극물질을 사용하고, top-gate coplanar 구조를 가진 고성능 투명 유연 a-IGZO 박막트랜지스터를 제작하고자 한다.
	a-IGZO 박막트랜지스터가 투명 디스플레이의 구동소자로 적합한 이유는?	최근 산화물반도체 박막트랜지스터는 차세대 투명 유연 디스플레이의 구동소자로 주목받고 있다 [1-6]. 특히 a-IGZO (amorphous indium gallium zinc oxide) 채널물질로 제작된 박막트랜지스터는 전계효과 이동도가 크고 온/오프 전류비도 크기 때문에 투명 디스플레이 구동소자로 적합하다 [7-9]. 투명성뿐만 아니라 유연성을 가진 고성능 a-IGZO 박막트랜지스터를 제작하기 위해서는 유연기판의 변형온도 이하에서 제작이 이루어져야하나, 고온 후열처리를 거치지 않고서는 저온 스퍼터링 방법으로 제작된 a-IGZO 박막트랜지스터의 우수한 전기적 특성은 확보되기 어렵다.

참고문헌 (11)

Y. H. Hwang, J. S. Seo, J. M. Yun, H. Park, S. Yang, S.H.K. Park, and B. S. Bae, NPG Asia Mater., 5, e45 (2013). [DOI: http://dx.doi.org/10.1038/am.2013.11]

상세보기
X. Yu, L. Zeng, N. Zhou, P. Guo, F. Shi, D. B. Buchholz, Q. Ma, J. Yu, V. P. Dravid, R.P.H. Chang, M. Bedzyk, T. J. Marks, and A. Facchetti, Adv. Mater., 27, 2390 (2015). [DOI: http://dx.doi.org/10.1002/adma.201405400]

상세보기
L. Huang, D. Han, Y. Zhang, P. Shi, W. Yu, G. Cui, Y. Cong, J. Dong, S. Zhang, X. Zhang, and Y. Wang, Electron. Lett,. 51, 1595 (2015). [DOI: http://dx.doi.org/10.1049/el.2015.2041]

상세보기
W. Yang, K. Song, Y. Jung, S. Jeong, and J. Moon, J. Mater. Chem. C, 1, 4275 (2013). [DOI: http://dx.doi.org/10.1039/c3tc30550c]

상세보기
B. W. An, B. G. Hyun, S. Y. Kim, M. Kim, M. S. Lee, K. Lee, J. B. Koo, H. Y. Chu, B. S. Bae, and J. U. Park, Nano Lett. 14, 6322 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.1021/nl502755y]

상세보기
M. K. Dai, J. T. Lian, T. Y. Lin, and Y. F. Chen, J. Mater. Chem. C, 1, 5064 (2013). [DOI: http://dx.doi.org/10.1039/c3tc30890a]

상세보기
M. N. Fujii, Y. Ishikawa, M. Horita, and Y. Uraoka, ECS J. Solid State Sci. Technol., 3, Q3050 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.1149/2.011409jss]

상세보기
G. J. Lee, J. Kim, J.-H. Kim, S. M. Jeong, J. E. Jang, and J. Jeong, Semicond. Sci. Technol., 29, 035003 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/29/3/035003]

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A. Tari, and W. S. Wong, Appl. Phys. Lett., 107, 193502 (2015). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4934869]

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J.-S. Park, J. K. Jeong, Y.-G. Mo, and H. D. Kim, Appl. Phys. Lett., 90, 262106 (2007). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.2753107]

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X. Ding, H. Zhang, H. Ding, J. Zhang, C. Huang, W. Shi, J. Li, X. Jiang, and Z. Zhang, Superlattices Microstruct., 76, 156 (2014). [DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.spmi.2014.10.007]

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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