Low voltage organic TFTs (OTFTs) and ZnO based TFTs (〈5V), utilizing room temperature deposited $Bi_{1.5}Zn_{1.0}Nb_{1.5}O_7$ (BZN) thin films were recently reported, pointing to high-k gate insulators as a promising route for realizing low voltage operating flexible electronics. $Bi_{1.5}Zn_{1.0}Nb_{1.5}O_7$ (BZN) thin film is one of the most promising materials for gate insulator because of its large dielectric constant (~60) at room temperature with an applied dc electric field. However their tendency to suffer from relatively high leakage current at low electric field (〉0.3MV/cm) hinder the application of BZN thin films for gate insulator. In order to improve leakage current characteristics of BZN thin film, we mixed 30mol% MgO with 70mol% BZN and their dielectric and electric properties were characterized. We investigated the leakage current characteristic of $(Bi_{1.5}Zn_{1.0}Nb_{1.5}O_7)_{0.7}(MgO)_{0.3}$ thin film and reported the results of the fabrication and characterization of thin film transistor using $(Bi_{1.5}Zn_{1.0}Nb_{1.5}O_7)_{0.7}(MgO)_{0.3}$ gate insulator and ZnO active layer at room temperature by rf magnetron sputtering technique on PET and glass substrate. The devices exhibited low operation voltages (on PET, 1.2V and glass, 1.68V), high mobility (on PET, 20.4㎠/V.s and glass, 35.3㎠/V.s) and also high on-off ratio (on PET, $6.45\times10^5$ and glass, $1.88\times10^5$).
차세대 디스플레이 기술로서 플렉서블 디스플레이의 경우, 종이처럼 얇고 유연한 기판에 구현이 가능하고(thin and flexible) 휘거나 말 수 있으면서(bendable), 손상이 적고 충격에 강한(durable) 특성을 가져야 한다. 그리고 플라스틱 기판이 견딜 수 있는 온도 안정성 때문에 제조 공정 온도가 낮아야 한다는 제약과 모바일 디바이스에의 응용을 위한 트랜지스터 소자의 설계를 가능하게 해 줄 수 있는 저전압구동 특성은 박막 트랜지스터의 게이트 절연막 소재 선택 및 제조공정의 개발방향을 좌우하는 중요한 인자이며 트랜지스터의 낮은 구동전압과 높은 정전용량을 얻기 위해서는 높은 유전상수를 가지면서도 얇은 두께의 게이트 절연막이 필요하다. 따라서 플렉서블, 플라스틱 기판을 사용한 유기박막 트랜지스터의 안정적 구동을 위해서는 200 nm 이상의 두꺼운 절연막이 필요하며, 저전압 특성을 확보하기 위해 저온공정에서 증착 가능 하면서 유전상수 15 이상, 낮은 누설전류 밀도, 높은 절연막 파괴 강도를 가지는 게이트 절연막이 요구된다.
큐빅 파이로클로어 구조(cubic pyrochlore structure)를 갖는 $Bi_{1.5}Zn_{1.0}Nb_{1.5}O_7$ (BZN)의 경우, 단순 구조로 인해 상온 스퍼터링에서도 나노 결정구조가 형성이 되고, 이로 인해 55 이상의 높은 유전상수 값이 얻어진다. 그러나 누설전류 특성이 좋지 않아 이를 개선시키기 위해 MgO를 BZN에 첨가하여 타겟을 제조한 후 상온에서 박막을 증착 하였다. 특히 30mol%의 MgO를 첨가했을 경우 박막의 유전상수는 28로서 순수한 BZN의 경우 55보다 낮은 값을 가지고 있었지만 낮은 구동전압의 박막트랜지스터를 형성하기에 충분한 값이었고 누설전류 또한 $10^{-8} A/cm^2$ (〈0.5 MV/cm) 이하로 개선되었다. 이런 BZN+30mol%MgO 박막을 게이트 절연막으로 이용하여 상온에서 ZnO 박막 트랜지스터를 PET와 유리 기판에 제작하고 그 특성을 평가하였다. PET 기판에 제작된 박막트랜지스터의 경우 약 20㎠/V.s 의 전계효과 이동도와 1.2V의 낮은 구동전압을 가졌고 유리기판에 형성된 박막트랜지스터의 경우 약 35㎠/V.s 의 이동도와 1.68V의 구동전압을 나타내었다. 이는 PET 기판의 핀홀(pinhole) 생성 또는 균일한 박막 증착의 어려움으로 인한 상대적으로 높은 표면 거칠기(roughness) 때문으로 해석된다. 또한 BZN+30mol%MgO 박막을 사용한 박막트랜지스터는 순수한 BZN 박막에 비해 좋은 누설전류 특성뿐 아니라 상대적으로 높은 점멸 비와 이동도를 가져 향상된 박막트랜지스터 특성을 보였다.
