초록 ▼

■ 연구개요
□ 투명 플렉시블 디스플레이 패널에 적용 가능한 산화물 TFT 공정 연구
- 인듐 함량이 50% 이하이며 Zn/Sn 함량 비에 따른 비정질 삼성분계 n형 IZTO 반도체 조성 및 특성 연구
- 문턱전압(V_th ; threshold voltage) 변화 거동 고찰 및 라이브러리 구축
- 게이트 절연막을 위한 고유전율 재료의 특성 연구
- Si 기판을 대체한 유리기판 및 플렉시블 기판(PI) 위에 IZTO 반도체 박막을 이용한 산화물 TFT 공정 연구

■ 연구 목표

■ 연구개요
□ 투명 플렉시블 디스플레이 패널에 적용 가능한 산화물 TFT 공정 연구
- 인듐 함량이 50% 이하이며 Zn/Sn 함량 비에 따른 비정질 삼성분계 n형 IZTO 반도체 조성 및 특성 연구
- 문턱전압(V_th ; threshold voltage) 변화 거동 고찰 및 라이브러리 구축
- 게이트 절연막을 위한 고유전율 재료의 특성 연구
- Si 기판을 대체한 유리기판 및 플렉시블 기판(PI) 위에 IZTO 반도체 박막을 이용한 산화물 TFT 공정 연구

■ 연구 목표대비 연구결과
▷ 인듐 함량이 40% 이하이며 Zn, Sn 함량변화에 따른 비정질 IZTO 박막의 증착 및 특성 연구
◦ Pulsed laser deposition (PLD) 용 IZTO 세라믹 타겟 제조 및 증착 특성 연구
- 증착 후 열처리를 하지 않은 화학양론적 IZTO 박막의 경우에는, 인듐의 함량이 감소함에 따라 V_th값이 감소하는 경향을 보였으며, on/off ratio는 비슷하지만, IZTO45 박막을 채널층으로 하여 제작한 TFT가 약 10⁴으로 가장 높은 값을 가지는 것을 확인하였다. 전하이동도 값의 경우에는 인듐의 함량이 30% 또는 40%일 경우 약 0.6cm²V^-1s^-1으로 매우 낮으며, 인듐의 함량이 30% 미만일 경우에는 0.3 cm²V^-1s^-1 이하로 더 감소하는 것을 확인하였다.
- 증착 후 열처리를 하지 않은 경우, 전체 조성물 중에서 IZTO-10 박막을 증착하여 채널층으로 사용한 TFT가 전하이동도 값이 약 10 cm²V^-1s^-1, I_on/I_off 값은 약 10⁶, V_th 값은 9.5 V, SS값은 0.34 V/decade로 다른 화학조성의 박막으로 제작한 TFT보다 특성이 우수하였다.
- 하지만, 대기 중에서 350℃, 1시간 열처리를 거치면, 전하이동도를 비롯하여 I_on/I_off, V_th, SS 등 모든 값이 증가하였으며 특히 IZTO-9 박막과 IZTO-10 박막에서 두드러진 전하이동도의 증가가 관측되었다.
▷ 문턱전압(threshold voltage, V_th) 변화 거동 고찰 및 라이브러리 구축
◦ Zn, Sn 함량변화에 따른 문턱전압 및 subthreshold swing (SS) 변화 측정
- 10개의 조성을 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 박막을 제조하였으며, 문턱전압 및 subthreshold swing (SS) 변화를 측정하여, 라이브러리를 구축하였다.
- 10개의 조성 중 IZTO-9(Zn:Sn:In=50:20:30 at%) 및 IZTO-10(Zn:Sn:In=50:10:40 at%)의 두 조성이 IGZO TFT에 대한 대체 가능성을 보였으며, IZTO-9의 문턱전압은 2.6 V, SS값은 0.64 V/decade이고, IZTO-10의 문턱전압은 9.5 V, SS값은 0.34 V/decade이다.
◦ IZTO TFT 제조를 위한 최적화 공정 조건 연구
- IZTO-10 채널층이 30 nm일 때, 가장 우수한 특성을 가지는 것을 확인하였으며, 이 때 전하 이동도는 25 cm²/V.s, 문턱전압은 –0.1 V, On/Off 전류는 2x10⁸, SS 값은 0.14 V/decade이다.
- IZTO-10 채널층을 350oC에서 열처리를 진행 하였을 때 가장 우수한 특성을 가지는 것을 확인하였으며, 이 때 전하 이동도는 34 cm²/V.s, 문턱전압은 –4.6 V, On/Off 전류는 ~10⁷, SS 값은 0.2 V/decade이다.
- IZTO-10 채널층 제조 시, 산소분압비를 2.5%일 때, 가장 우수한 특성을 가지는 것을 확인하였으며, 이 때 전하 이동도는 29.1 cm²/V.s, 문턱전압은 0.7 V, On/Off 전류는 2x10⁸, SS 값은 0.12 V/decade이다.
- IZTO-10 채널층 제조 후 source/drain W/L ratio가 1mm/0.1mm일 때 다른 W/L ratio에 대비하여 좋은 특성을 가졌으며 이 때 전하 이동도는 14 cm²/V.s, 문턱전압은 17.6 V, On/Off 전류는 ~10⁹, SS 값은 0.12 V/decade이다.
▷ 게이트 절연막을 위한 고유전율 재료의 특성 연구
◦ 게이트 절연막으로 고유전재료(TiO₂)를 사용한 산화물 TFT 제조 및 특성 평가
- 증착시간(10~90분)에 따라 TiO₂ 박막의 두께가 증가하며, 평균 투과율은 84%이상으로 나타나는 것을 확인하였다.
- 산소의 양이 증가함에 따라, TiO₂ 박막의 산화가 이루어져 효과가 증대해질 것으로 기대하였으나, 누설전류가 증가하는 것으로 보아 게이트 절연막으로서의 효과를 기대하기 어려운 것으로 확인 하였다.
◦ 게이트 절연막으로 고유전재료(HfO₂)를 사용한 산화물 TFT 제조 및 특성 평가
- H₂O 가스를 reactant로 하였을 때, HfO₂ 박막의 증착속도가 약 4배 정도 빨랐다.
- precursor를 TEMAHf를 통해 제조된 HfO₂ 박막으로 TFT 소자를 제작하였을 때 제일 안정적으로 구동하였다.
▷ Si 기판을 대체한 유리기판과 플렉시블 기판(PI) 위에 IZTO 박막을 통한 산화물 TFT 공정 연구
◦ 산소 분압에 따른 산화물 TFT(유리기판) 소자의 특성
- 산소분압이 2.5%일 때 TFT 소자의 특성이 우수한 것을 확인하였으며, 이때 전하이동도는 8.45 cm²/V.s이며, V_th는 0.25 V, I_on/I_off 는 4 x 10⁶이다.
◦ 플렉시블 기판(PI) 위에 제작된 산화물 TFT 소자의 특성
- 유리 기판 대신에 PI 기판을 사용하여 제조된 TFT 소자에서는 도체로서의 특성이 나타났는데, 이는 게이트, 채널 그리고 소스/드레인 패턴 공정을 진행하면서 shadowing 효과가 일어난 것 때문으로 보인다.

■ 연구개발결과의 중요성
본 연구를 통하여 찾아낸 InZnSnO계 반도성 박막, 즉 IZTO 박막은 최근에 OLED, LCD 및 터치 패널 등에 사용되기 시작한 IGZO 반도체 박막을 대체 할 수 있는 가능성이 있음이 입증되었다. 반도성 IZTO 박막은 값이 비싼 희유금속인 갈륨이 함유되어 있지 않으면서도 인듐의 함량이 40%이하로 낮은 반면에, 이를 이용한 산화물 TFT에 대한 연구는 상대적으로 덜 이루어진 분야이다. 본 연구진은 투명전도막으로 널리 사용중인 ITO 박막을 대체할 수 있는 인듐 절약형 전도성 IZTO 박막연구를 성공적으로 수행한 바 있으며, 이러한 일련의 연구결과를 활용하면 채널층 뿐만 아니라, 소스, 게이트, 드레인 전극까지도 기존의 금속 대신 IZTO 박막을 적용한 투명트랜지스터(transparent FET) 및 투명디스플레이(transparent display)를 개발하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구를 후속과제로 연장하여 수행하게 되면, 이온빔에 의한 게이트 절연막의 in situ 표면개질 연구도 이루어져서, IZTO계 산화물 박막만을 사용한 all oxide TFT가 개발될 수 있을 것이고, 더 나아가 유리기판을 PEN, PET, PI 등의 다양한 플렉시블 기판으로까지 대체하는 투명플렉시블디스플레이도 가능할 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2-1. PLD 증착용 세라믹 타겟 제조 ... 4
• 2-2. 인듐 함량이 40% 이하이며 Zn, Sn 함량이 다양한 비정질 IZTO 박막의 PLD 증착 특성 연구 ... 5
• 2-3. RF Magnetron Sputtering 용 IZTO 세라믹 타겟의 제조 및 박막 증착 특성 연구 ... 9
• 2-4. RF Magnetron Sputtering으로 증착한 인듐 함량이 40% 이하이며 Zn, Sn 함량이 다른 비정질 IZTO 채널층 및 이를 이용한 oxide TFT 소자 특성 연구 ... 11
• 2-5. 문턱전압(threshold voltage, Vth) 변화 거동을 측정하고 라이브러리 구축 ... 15
• 2-7. 유리기판과 플렉시블 기판(PI) 위에 IZTO 반도체 박막을 적용한 산화물 TFT 공정 연구 ... 19
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 20
• 4. 참고문헌 ... 20
• 5. 연구성과 ... 21
• 대표적 연구실적 ... 26
• 끝페이지 ... 35