[논문]Poly (4-vinylphenol) 게이트 절연체를 적용한 IGZO TFT의 열처리 온도에 따른 전기적 특성 분석

박정현; 정준교; 김유정; 정병준; 이가원

Poly (4-vinylphenol) 게이트 절연체를 적용한 IGZO TFT의 열처리 온도에 따른 전기적 특성 분석
Electrical Characteristic Analysis of IGZO TFT with Poly (4-vinylphenol) Gate Insulator according to Annealing Temperature 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.1, 2017년, pp.97 - 101

박정현 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 정준교 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 김유정 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 정병준 (충남대학교 전자전파정보통신공학과) , 이가원 (충남대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, IGZO thin film transistor (TFT) was fabricated with cross-linked Poly (4-vinylphenol) (PVP) gate dielectric for flexible, transparent display applications. The PVP is one of the candidates for low-temperature gate insulators. MIM structure was fabricated to measure the leakage current and evaluate the insulator properties according to the annealing temperature. Low leakage current ( <0.1nA/cm2 @ 1MV/cm ) was observed at $200^{\circ}C$ annealing condition and decreases much more as the annealing temperature increases. The electrical characteristics of IGZO TFT such as subthreshold swing, mobility and ON/OFF current ratio were also improved, which shows that the performance of IGZO TFTs with PVP can be enhanced by reducing the amount of incomplete crosslinking in PVP.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이런 유기물 중의 하나로 Poly (4-vinylphenol)(PVP)가 유기 소자에 적용된 결과들이 발표되고 있는데 단일 PVP의 경우 비교적 높은 누설전류 문제와 표면에 결함이 많아 계면 특성이 좋지 않은 문제점을 가지고 있다. [8] 이에 본 연구에서는 PVP의 가교결합이 용이하게 이루어질 수 있도록 열 경화제를 첨가하여 저온에서 형성하였을 때에도 절연체 특성이 우수한 PVP 박막을 형성하고자 하였으며 열처리 온도에 따른 절연체 특성을 분석하였다. 이렇게 형성된 PVP 박막은 IGZO TFT에 게이트 절연 막으로 적용되었으며 이를 통해 PVP유기절연체/IGZO채널 구조 트랜지스터의 전기적인 특성을 확인하였다.

제안 방법

본 연구에서는 유연, 투명 전자 소자로 주목받고 있는 산화물 TFT, 특히 IGZO TFT 제작에 필요한 게이트 절연체로 저온 용액 공정이 가능한 유기 박막인 Poly (4-vinylphenol) (PVP)를 적용하였으며 절연체 형성 시 열처리 온도에 따른 전기적 특성을 비교 분석하였다. 이를 위해 PVP를 절연체로 사용한 MIM 커패시터와 게이트 절연체로 사용한 IGZO TFT소자를 제작하였다.
본 연구에서는 유연, 투명 전자 소자로 주목받고 있는 산화물 TFT, 특히 IGZO TFT 제작에 필요한 게이트 절연체로 저온 용액 공정이 가능한 유기 박막인 Poly (4-vinylphenol) (PVP)를 적용하였으며 절연체 형성 시 열처리 온도에 따른 전기적 특성을 비교 분석하였다. 이를 위해 PVP를 절연체로 사용한 MIM 커패시터와 게이트 절연체로 사용한 IGZO TFT소자를 제작하였다. 커패시터 구조에서 열처리온도가 증가될수록 절연체의 두께가 현저히 얇아지면서 누설전류가 감소하는 현상을 확인하였다.

대상 데이터

제작된 MIM 커패시터와 IGZO TFT의 전기적 특성은 HP 4155A와 HP 4284A Semiconductor parameter analyzer를 이용해 상온에서 측정하였다.

데이터처리

그 후 가교결합을 위해 hot plate를 이용해 1시간동안 열처리를 해주었다. 이 때 열처리 온도에 따른 PVP의 전기적 특성 분석을 위해 200 ~ 400 ℃로 온도를 달리하였다. 열처리 온도에 따른 PVP의 물리적, 전기적 특성 분석을 위해 Fig.

성능/효과

하지만 200 ℃ 열처리 조건에서도 기존의 SiO₂와 비교했을 때 유사한 누설 전류 값을 보이면서 투명 유연소자로의 가능성을 보여주었다. 이러한 PVP를 IGZO TFT에 적용하여 트랜지스터 전달 특성 곡선을 측정하였을 때 게이트 절연체와 채널 사이의 계면트랩 밀도가 저온의 경우 ~10¹³cm^-2정도의 값을 가지며 열처리 온도를 300 ℃로 증가시킬 경우 ~10¹² cm^-2으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 계면트랩 밀도 감소와 함께 ON/OFF전류 비율, 전계효과이동도와 같은 전반적인 트랜지스터 특성이 함께 개선됨을 확인하였는데 이러한 결과는 향후 공정 개선을 통해 저온에서 PVP의 가교결합을 증가시킬 수 있을 경우 더욱 우수한 성능의 유기절연체를 갖는 산화물반도체 소자 제작이 가능함을 보여준다고 할 수 있다.
이를 위해 PVP를 절연체로 사용한 MIM 커패시터와 게이트 절연체로 사용한 IGZO TFT소자를 제작하였다. 커패시터 구조에서 열처리온도가 증가될수록 절연체의 두께가 현저히 얇아지면서 누설전류가 감소하는 현상을 확인하였다. 하지만 200 ℃ 열처리 조건에서도 기존의 SiO₂와 비교했을 때 유사한 누설 전류 값을 보이면서 투명 유연소자로의 가능성을 보여주었다.
커패시터 구조에서 열처리온도가 증가될수록 절연체의 두께가 현저히 얇아지면서 누설전류가 감소하는 현상을 확인하였다. 하지만 200 ℃ 열처리 조건에서도 기존의 SiO₂와 비교했을 때 유사한 누설 전류 값을 보이면서 투명 유연소자로의 가능성을 보여주었다. 이러한 PVP를 IGZO TFT에 적용하여 트랜지스터 전달 특성 곡선을 측정하였을 때 게이트 절연체와 채널 사이의 계면트랩 밀도가 저온의 경우 ~10¹³cm^-2정도의 값을 가지며 열처리 온도를 300 ℃로 증가시킬 경우 ~10¹² cm^-2으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

후속연구

이러한 PVP를 IGZO TFT에 적용하여 트랜지스터 전달 특성 곡선을 측정하였을 때 게이트 절연체와 채널 사이의 계면트랩 밀도가 저온의 경우 ~10¹³cm^-2정도의 값을 가지며 열처리 온도를 300 ℃로 증가시킬 경우 ~10¹² cm^-2으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 계면트랩 밀도 감소와 함께 ON/OFF전류 비율, 전계효과이동도와 같은 전반적인 트랜지스터 특성이 함께 개선됨을 확인하였는데 이러한 결과는 향후 공정 개선을 통해 저온에서 PVP의 가교결합을 증가시킬 수 있을 경우 더욱 우수한 성능의 유기절연체를 갖는 산화물반도체 소자 제작이 가능함을 보여준다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 게이트 절연체로 사용하는 SiO2의 장단점은 무엇인가?	투명유연소자의 경우 열 저항성이 낮은 플라스틱과 같은 기판에 제작되는 점을 고려할 때 저온 공정이 가능한 절연체의 선택과 적용이 더욱 중요해지기 때문이다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 게이트 절연체를 살펴보면, SiO2의 경우 형성 방법이 어렵지 않으면서도 내 전압 특성이 매우 우수하다는 장점이 있지만, 휘지 않는 특성과 공정 온도가 높다는 단점을 가지고 있다. 최근 연구에서는 용액공정으로 제작된 저온 공정 SiO2가 보고되고 있지만, 절연 특성이 낮은 한계를 보인다 [2].
	유기 절연체의 장점은 무엇인가?	이러한 무기절연체의 단점들로 인해 유연 소자에 적용을 위한 대체 물질로 유기 절연체가 연구되고 있는 상황이다. 유기 절연체의 경우 저온 용액 공정이 가능하여 Roll-to-Roll[6], ink-jet [7] 등의 방법을 통하여 대면 공정이 가능하다는 장점이 있다. 이런 유기물 중의 하나로 Poly (4-vinylphenol)(PVP)가 유기 소자에 적용된 결과들이 발표되고 있는데 단일 PVP의 경우 비교적 높은 누설전류 문제와 표면에 결함이 많아 계면 특성이 좋지 않은 문제점을 가지고 있다.
	유기 절연체 중 하나인 PVP가 가지는 문제점은 무엇인가?	유기 절연체의 경우 저온 용액 공정이 가능하여 Roll-to-Roll[6], ink-jet [7] 등의 방법을 통하여 대면 공정이 가능하다는 장점이 있다. 이런 유기물 중의 하나로 Poly (4-vinylphenol)(PVP)가 유기 소자에 적용된 결과들이 발표되고 있는데 단일 PVP의 경우 비교적 높은 누설전류 문제와 표면에 결함이 많아 계면 특성이 좋지 않은 문제점을 가지고 있다. [8] 이에 본 연구에서는 PVP의 가교결합이 용이하게 이루어질 수 있도록 열 경화제를 첨가하여 저온에서 형성하였을 때에도 절연체 특성이 우수한 PVP 박막을 형성하고자 하였으며 열처리 온도에 따른 절연체 특성을 분석하였다.

참고문헌 (8)

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