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플렉시블 디스플레이의 적용을 위한 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 기술 동향과 이슈 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.30 no.2, 2017년, pp.10 - 18  

옥경철 (한양대학교 신소재공학부) ,  한기림 (한양대학교 신소재공학부) ,  김동현 (한양대학교 신소재공학부) ,  박진성 (한양대학교 신소재공학부)

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 그림 7. (b)는 Myer-Neldel rule을 이용하여 밴드갭 내의 전도대 근처에서의 결함 준위를 분석하여 소자의 열화 현상을 해석하고자 하였다. Device B에 대하여 결함의 준위가 상당히 높은 특성을 보이고 있는데, 이는 쉽게 다른 외부적인 에너지에 의해서 과생성된 전자를 유발 시킬수 있음을 보여준다.
  • 그림 2. OLED 디스플레이 소재 및 구조적인 최적화를 위한 설계.
  • 현재 양산에서 사용되는 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) 기반의 SiNx 막은 SiO2 막 보다 치밀한 박막을 형성하고 있어 투습 방지에는 매우 효과적이나, 자체적으로 수소를 약 ~15% 함유하고 있어 산화물 반도체 내부로 확산되어 전기적 도너 역할을 하게 되어 도체화를 진행시키게 된다. 따라서 atomic layer deposition (ALD)를 이용하여 증착시킨 Al2O3 박막을 SiNx 위에 적층시켜 플렉시블 산화물 TFTs의 외기와수소의 영향성을 분리시켜 확인하여 보고자 하였다 (그림 5, 6).
  • 따라서 체계적이고 단계적인 절차에 따라서 소자의 열화 인자에 대해 평가가 이루어져야 하며, 다양한 해법들이 제시되어야 할 필요가 있다. 따라서 이번 본문에서는 플렉시블 기판과 버퍼층에 대한 산화물 TFTs의 영향성과 기계적인 스트레스에 의한 소자의 열화 메커니즘을 규명하기 위한 연구 결과를 정리해 보고자한다.
  • 따라서 투습 방지막에 따라 소자의 전기적 특성이 달라짐을 알 수 있다. 산화물 TFT 신뢰성 열화에 있어서 중요한 요소 중 하나로 수소와 관련된 Trap sites에 대해서 보고하였다. J.
  • 주목할 점은 오존을 이용하여 만들어진 소자의 파라미터는 상대적으로 물을 이용하여 만들어진 소자에 비해 특성이 낮음을 보이는데, 이는 외기의 영향으로 인한 소자의 열화로 보여지고 있다. 외기의 영향이 투습 방지막에 어느 정도 영향을 미치는지 평가하기 위하여 신뢰성을 측정하였다.
  • 지금까지 산화물 박막 트랜지스터의 플렉시블 디스플레이 적용을 위한 기판 및 버퍼층 소재의 영향을 이해하고, 기계적 변형으로부터 기인한 소자의 열화 현상 메커니즘 및 이를 최소화 하기 위한 방안등에 대하여 서술하였다. 현재, 소자의 기계적 변형이 개별 전극, 절연막 및 반도체 소재에 각각 어떠한 영향을 미칠 것인지 명확한 결론을 내리기는 어려운 상황이다.

가설 설정

  • 를 의미한다. TFT의 각 층 별 영률은 모두 같다고 가정하였다. 이와 같은 식을 활용하면, 일정한 두께의 플렉시블 기판에 대한 각 층 별 최적 두께를 계산을 통해 알 수 있게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
TFTs는 어떤 특성을 통해 큰 경쟁력을 갖는가? 대표적으로 비정질 산화물 (amorphous oxide semiconductors, AOS) TFTs는 다른 반도체성 소재와 비교하여 대면적에서 균일하며, 높은 전자 이동도 (> 10cm2/Vs) 특성으로 인해 큰 경쟁력을 갖는다 (그림 3). 이들은 향후 플렉시블 기판 위 rollto-roll (R2R) 방식을 이용하여 제작이 가능할 뿐만 아니라 저온에서도 쉽게 안정적인 이동도와 신뢰성을 동시에 확보할 수 있기 때문에, 유기 물질기반의 플라스틱 기판 소재 위에도 소자 제작이 가능하다.
휘어지는 디스플레이을 통한 생산되는 실제 제품은 무엇이 있는가? 이렇게 확장된 디스플레이의 기술은 이미 대면적에서도 만족스러운 수준에 이르렀으며, 보다 높은 휴대성을 갖는 새로운 통신 장비, 광고, 그리고 곡면에서의 기능성 보조 디스플레이 등으로 응용 분야가 확대되고 있다. 이러한 산업적인 동향을 반영한 휘어지는 디스플레이의 등장은 커브드 디스플레이 (curved display), 엣지 디스플레이(edge display), 스마트 시계 (smart watch) 등 실제 제품으로 생산되어 소비자의 이목을 끌고 있다 (그림 1).
a-IGZO TFT의 전기적 특성 변화가 기계적 스트레스의 방향에 따라 다른 경향을 보이는 이유는 무엇인가? 곡률 반경이 작아질수록 소자 특성의 변화 값은 모두 큰 폭으로 일어나지만, 인장 응력에 대하여 Vth는 음의 방향으로 움직이고 이동도가 증가되며, 압축 응력에 대해서는 반대의 경향이 나타나고 있다. 이러한 경향이 나타나는 이유는 기계적 스트레스에 기인되는 반도체 소재 내부의 원자간의 거리 변화로 인하여 에너지 레벨의 스플리팅 (energy level splitting) 이 발생하기 때문이다. 이에 따라 페르미 준위의 위치가 바뀌게 되어 문턱 전압의 변화 및 이동도의 변화가 발생하게 된다.
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참고문헌 (9)

  1. Cheng, I-Chun, et al. "Stress control for overlay registration in a-Si: H TFTs on flexible organicpolymer-foil substrates." Journal of the Society for Information Display 13, pp. 563-568 (2005). 

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  2. Ok, Kyung-Chul, et al. "The effects of buffer layers on the performance and stability of flexible InGaZnO thin film transistors on polyimide substrates." Applied Physics Letters 104 pp. 063508 (2014). 

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  3. Ok, Kyung-Chul, et al. "Effect of Alumina Buffers on the Stability of Top-Gate Amorphous InGaZnO Thin-Film Transistors on Flexible Substrates." IEEE Electron Device Letters 36, pp. 917-919 (2015). 

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  4. Lee, Jaeseob, et al. "The influence of the gate dielectrics on threshold voltage instability in amorphous indium-gallium-zinc oxide thin film transistors." Applied Physics Letters 95, pp. 3502 (2009). 

  5. 대한기계학회논문집 B권, 제35권 제1호, pp. 17-22 (2011). 

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  6. N. S. Munzenrieder et. al. "Testing of flexible InGaZnO-based thin-film transistors under mechanical strain." The European Physical Journal Applied Physics 55, pp. 23904 (2011). 

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  7. Y. Kumaresan et. al. "Highly Bendable In-Ga-ZnO Thin Film Transistors by Using a Thermally Stable Organic Dielectric Layer." Scientific report 6, pp. 37764 (2016). 

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  8. J. Sheng et. al. "A Study on the Electrical Properties of Atomic Layer Deposition Grown InOx on Flexible Substrates with Respect to $N_2O$ Plasma Treatment and the Associated Thin-Film Transistor Behavior under Repetitive Mechanical Stress." ACS Applied Materials and Interfaces 8, pp. 31136-31143 (2016). 

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  9. T. Sekitani et. al. "Ultra-flexible organic field-effect transistors embedded at a neutral strain position." Applied Physics Letters 87, pp. 173502 (2005). 

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