[논문]용액공정용 불소 도핑된 인듐 갈륨 징크 산화물 반도체의 박막 트랜지스터 적용 연구

정선호

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.059

초록
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본 논문은 용액공정용 불소 도핑된 인듈 갈륨 징크 산화물 반도체를 연구하였으며, 박막 트랜지스터 적용 가능성을 확인하였다. 용액형 산화물 반도체를 형성하기 위해, 금속염 전구체 기반 용액을 제조하였으며, 추가적인 불소 도핑을 유도하기 위해 화학적 첨가제로서 암모늄 플로라이드를 이용하였다. 열처리 온도 및 불소 도핑양에 따른 전기적 물성을 고찰함으로서, 300도 저온 열처리를 통해 제조된 산화물 반도체층의 전기적 특성을 향상시켰다. 20 mol% 불소를 도핑하는 경우, $1.2cm^2/V{\cdot}sec$의 이동도 및 $7{\times}10^6$의 점멸비 특성이 발현 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have developed solution-processed, F-doped In-Ga-Zn-O semiconductors and investigated their applications to thin-film transistors. In order for forming the appropriate channel layer, precursor solutions were formulated by dissolving the metal salts in the designated solvent and an ...

In this study, we have developed solution-processed, F-doped In-Ga-Zn-O semiconductors and investigated their applications to thin-film transistors. In order for forming the appropriate channel layer, precursor solutions were formulated by dissolving the metal salts in the designated solvent and an additive, ammonium fluoride, was incorporated additionally as a chemical modifier. We have studied thermal and chemical contributions by a thermal annealing and an incorporation of chemical modifier, from which it was revealed that electrical performances of the thin-film transistors comprising the channel layer annealed at a low temperature can be improved significantly along with an addition of ammonium fluoride. As a result, when the 20 mol% fluorine was incorporated into the semiconductor layer, electrical characteristics were accomplished with a field-effect mobility of $1.2cm^2/V{\cdot}sec$ and an $I_{on}/_{off}$ of $7{\times}10^6$.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Transfer data for transistors prepared from 400^oC-annealed F-IGZO semiconductors as a function of F composition.
그림 Fig. 2. Output data for the transistor employing the channel layer prepared from 400^oC-annealed 10% F-IGZO semiconductor.
그림 Fig. 3. Transfer data for transistors prepared from 300^oC-annealed F-IGZO semiconductors as a function of F composition
그림 Fig. 4. Output data for the transistor employing the channel layer prepared from 300^oC-annealed 20% F-IGZO semiconductor.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 금속염 전구체 기반 용액으로부터 제조된 산화물 반도체 층의 전기적 물성을 제어하기 위한 화학적 첨가제를 제시하였다. 암모늄 플로라이드를 첨가함으로서, 산소 공공 형성에 의한 전자 형성 기구와 더불어 추가적인 전자를 공급함으로 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 물성을 향상시켰다.

제안 방법

특정 용매에 용해된 금속염 전구체와 더불어 암모늄 플로라이드를 첨가함으로서 불소 도핑된 IGZO 산화물 층을 형성하기 위한 전구체 용액을 제조하였다. 박막 트랜지스터를 제조하여 형성된 산화물 반도체 채널 층의 전기적 특성을 고찰하였다. 특히, 열처리 온도 및 불소 도핑 양에 따른 전기적 특성을 고찰함으로서, 300도의 저온 열처리를 통해 제조된 산화물 반도체층의 특성 향상기저 기구를 파악하였다.
본 연구에서는 산업적으로 현재 적용되고 있는 인듐 갈륨 징크 산화물(IGZO) 산화물 반도체 채널층을 형성하기 위해 금속염 전구체 기반 용액을 제조하였으며, IGZO 산화물 반도체층의 전기적 특성을 향상시키기 위해 불소를 도핑하였다. 특정 용매에 용해된 금속염 전구체와 더불어 암모늄 플로라이드를 첨가함으로서 불소 도핑된 IGZO 산화물 층을 형성하기 위한 전구체 용액을 제조하였다.
본 연구에서는 산업적으로 현재 적용되고 있는 인듐 갈륨 징크 산화물(IGZO) 산화물 반도체 채널층을 형성하기 위해 금속염 전구체 기반 용액을 제조하였으며, IGZO 산화물 반도체층의 전기적 특성을 향상시키기 위해 불소를 도핑하였다. 특정 용매에 용해된 금속염 전구체와 더불어 암모늄 플로라이드를 첨가함으로서 불소 도핑된 IGZO 산화물 층을 형성하기 위한 전구체 용액을 제조하였다. 박막 트랜지스터를 제조하여 형성된 산화물 반도체 채널 층의 전기적 특성을 고찰하였다.

성능/효과

특히, 금속염 전구체 용액 공정의 가장 큰 한계점인 저온 열처리 산화물 반도체층의 열악한 전기적 특성을 개선하였다. 300도 열처리된 IGZO 채널층 기반 박막 트랜지스터의 경우, 20 mol% 불소를 도핑함으로서 1.2 cm²/V·sec의 이동도 및 7×10⁶의 점멸비를 보이는 우수한 특성이 발현 가능함을 확인하였다. 암모늄 플로라이드를 이용한 화학적 첨가제 기법은 용액공정용 산화물 반도체 채널층의 전기적 특성을 개선할 수 있는 방법으로서 향후 다양한 산화물 반도체 조성물로 확장적 적용이 가능할 것으로 기대된다.

후속연구

2 cm²/V·sec의 이동도 및 7×10⁶의 점멸비를 보이는 우수한 특성이 발현 가능함을 확인하였다. 암모늄 플로라이드를 이용한 화학적 첨가제 기법은 용액공정용 산화물 반도체 채널층의 전기적 특성을 개선할 수 있는 방법으로서 향후 다양한 산화물 반도체 조성물로 확장적 적용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산화물 반도체의 특징은?	박막 트랜지스터 적용이 가능한 산화물 반도체 소재는 최근 많은 관심을 이끌고 있다.1,2) 특히, 산화물 반도체는 비정질/결정질 실리콘 반도체와 비교했을 때, 비정질상임에도 불구하고 비교적 높은 이동도 특성이 발현되는 특징적인 장점을 가지고 있다. 결정화 공정이 필요하지 않기 때문에 대면적 공정이 가능하다. 또한, 기존 비정질 실리콘 반도체의 낮은 이동도 특성을 극복할 수 있는 대안 소재로서 디스플레이 백플레인용 박막 트랜지스터 채널 층으로 각광받고 있다.3,4) 더불어, 차세대 디스플레이의 저가격화를 위해, 용액 공정이 가능한 산화물 반도체 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	본 논문에서 박막 트랜지스터의 물성을 향상시킨 방법은?	본 논문에서는 금속염 전구체 기반 용액으로부터 제조된 산화물 반도체 층의 전기적 물성을 제어하기 위한 화학적 첨가제를 제시하였다. 암모늄 플로라이드를 첨가함으로서, 산소 공공 형성에 의한 전자 형성 기구와 더불어 추가적인 전자를 공급함으로 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 물성을 향상시켰다. 특히, 금속염 전구체 용액 공정의 가장 큰 한계점인 저온 열처리 산화물 반도체층의 열악한 전기적 특성을 개선하였다.
	콜로이달 기반 용액 공정용 소재의 치밀 구조 박막층을 형성하지 못하는 한계점과 전자 산란으로 인한 특성 저하를 극복하기 위한 방법은?	초기에는 콜로이달 기반 용액 공정용 소재에 대한 연구가 주로 제시되었지만, 치밀구조 박막층을 형성하지 못하는 한계점과 입자간 계면에서의 전자 산란으로 인한 특성 저하가 문제점으로 지적되고 있다.5,6) 이를 극복하기 위해 전구체 기반 용액형 소재 합성에 대한 연구가 제시되고 있다. 다양한 전구체가 제안되고 있지만, 다양한 조성물의 합성이 가능한 금속염 전구체에 대한 연구가 주를 이루고 있다.

참고문헌 (9)

K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, "Room-Temperature Fabrication of Transparent Flexible Thin-Film Transistors Using Amorphous Oxide Semiconductors", Nature, 432, 488 (2004).

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S. Jeong, and J. Moon, "Low-Temperature, Solution-Processed Metal Oxide Thin Film Transistors", J. Mater. Chem., 22, 1243 (2012).

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E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Marins, "Oxide Semiconductor Thin-Film Transistors: A Review of Recent Advances", Adv. Mater., 24, 2945 (2012).

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J. S. Park, W.-J. Maeng, H.-S. Kim, and J.-S. Park, "Review of Recent Developments in Amorphous Oxide Semiconductor Thin-Film Transistor Devices", Thini Solid Films, 520, 1679 (2012).

상세보기
J.-Y. Oh, J. Park, S.-Y. Kang, C.-S. Hwang, and H.-K. Shim, "Room Temperature Fabrication of ZnO Nanorod Films: Synthesis and Application as a Channel Layer of Transparent Thin Film Transistors", Chem. Commun., 45, 4545 (2009).
T. V. Richer, F. Stetzl, J. Schulz-Gericke, B. Kerscher, U. Wurfel, M. Niggemann, and S. Ludwigs, "Room temperature Vacuum-induced Ligand Removal and Patterning of ZnO Nanoparticles: from Semiconducting Films Towards Printed Electronics", J. Mater. Chem., 20, 874 (2010).

상세보기
G. R. Hong, S. S. Lee, Y. Jo, M. J. Choi, Y. C. Kang, B.-H. Ryu, K.-B. Chung, Y. Choi, and S. Jeong, "Extremely Low-Cost, Scalable Oxide Semiconductors Employing Poly(acrylic acid)-Decorated Carbon Nanotubes for Thin-Film Transistor Applications", ACS Appl. Mater. Interfaces., 8, 29858 (2016).

상세보기
S. J. Kim, A. R. Song, S. S. Lee, S. Nahm, Y. Choi, and K.- B. Chung, S. Jeong, "Independent Chemical/Physical Role of Combustive Exothermic Heat in Solution-Processed Metal Oxide Semiconductors for Thin-Film Transistors", J. Mater. Chem. C., 3, 1457 (2015).

상세보기
S. Jeong, Y.-G. Ha, J. Moon, A. Facchetti, and T. J. Marks, "Role of Gallium Doping in Dramatically Lowering Amorphous-Oxide Processing Temperatures for Solution-Derived Indium Zinc Oxide Thin-Film Transistors", Adv. Mater., 22, 1346 (2010).

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