Recently, oxide TFTs have been investigated as current-driving devices for the future display. Due to the high mobility, transparency, and low-temperature processing, they have attracted much attention all over the world.
In this thesis, the electrical characteristics of the ZnO TFTs is measured, analyzed, and modeled. In fact, the output characteristic and the transfer curve do not supply a variety of information. On the contrary, C-V data can give the important information such as the flat-band voltage, induced charge density, and etc. Thus, as the first step, the quasi-static C-V (QSCV) measurement is performed to get the reliable C-V data. The unique features, which are not shown in the general MOSFETs, are observed. The origin of this phenomenon is interpreted in detail.
With the measured C-V data, several electrical values are obtained, and the device characteristics are analyzed based on them.
Especially, modeling the electrical characteristics is intricate, owing to the trap densities which are included in the ZnO film. Therefore, the extraction of the accurate trap distribution in the ZnO film is critical. In order to detect the trap densities, we will apply the C-V method to the ZnO TFTs. Finally, the extracted trap densities will be verified through the simulation using Silvaco ATLAS.
차세대 디스플레이 소자로 각광받고 있는 유기 LED (OLED)의 구동을 위해서는 충분한 전류의 공급이 필요하다. 전류를 공급해주는 역할은 박막트랜지스터 (TFT)가 하기 때문에, 박막트랜지스터의 성능이 디스플레이 동작에 매우 큰 영향을 준다. 이러한 관점에서, 안정적이면서도 높은 전하 이동도를 보여주는 산화물 박막트랜지스터가 각광받고 있다. 산화물 박막트랜지스터의 또 다른 장점은 투명하고 휘어지는 디스플레이를 현실화시킬 수 있다는 것이다. 산화물 박막트랜지스터는 밴드갭이 3.0eV 정도로 커서 상당히 투명하고, 저온 공정의 가능성을 가지고 있어서 플라스틱과 같은 유연성 기판 위에서도 공정이 가능할 것으로 예측된다. 이와 같은 특징들 때문에, 산화물 박막트랜지스터는 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 값이 싸면서도 좋은 성능의 가능성을 보이고 있는 ZnO 박막트랜지스터에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 그러나 대부분 ZnO 박막트랜지스터의 성능 향상에만 초점을 맞추고 있고, 물리적 해석을 바탕으로 좋은 모델을 만드는 연구는 많이 되고 있지 않다. 그래서 본 연구는 산화물 박막트랜지스터에 적합한 모델을 개발하고자 시작되었고, 이를 위해서는 물리적 특성에 대해 이해가 충분히 필요하여 다양한 연구가 진행되었다.
먼저, 이 논문에서는 게이트 패터닝과 ZnO 패터닝이 되었을 때 다소 이상적인 전기적 특성을 보이는 ZnO 박막트랜지스터의 DC 모델이 RPI모델을 기반으로 하여 제시되고 있다. 그러나 보다 정확한 모델을 위해서는 자 이동도나 트랩 분포와 같은 물리적 특성들을 알아낼 필요가 있다. 그 첫 번째 단계가 C-V 측정이다. 소자가 고주파 영역에서는 평형 상태를 이루지 않아서, C-V 측정은 충분히 낮은 주파수에서 이루어져야 한다. 이를 위해서 AC 신호 대신 DC 신호의 변화를 이용하여 C-V 결과를 얻는 QSCV 측정을 하였다. 그런데 QSCV 측정은 측정 과정이 까다로워서 잘못된 데이터를 얻는 경우가 많았다. 그래서 ZnO 박막트랜지스터의 동작 원리를 정확하게 이해한 다음, 측정된 C-V 결과를 깊이 분석할 필요가 있다. 실제로 C-V 곡선의 최소값이 S/D 메탈 패드 면적에 비례하고, 최대값이 ZnO 필름의 면적에 따라 달라진다는 사실이 분명하게 설명되었다. Flat-band 전압은 C-V 곡선에서 증가하기 시작하는 점으로 추정되었고, C-V 데이터를 바탕으로 ZnO층으로 유도된 전하량과 전자 이동도를 계산하였다. Square-Law 모델로부터 얻어진 전자 이동도는 상당히 과대평가되는 반면에, 여기서 얻어진 전자 이동도는 실제보다는 다소 작을 것으로 예상되지만 상당히 합리적인 값을 보여주었다. 마지막으로, C-V 곡선으로부터 트랩 분포를 얻을 수 있었고, 시뮬레이션을 통해 그 결과를 검증해볼 수 있었다.
