Metal oxide semiconductor (MOS) have been studied as an active layer for thin film transistors (TFTs) due to their advantages such as high mobility, uniformity, and transparency. The silicon-based semiconductor TFTs such as amorphous Si TFT and low temperature poly silicon (LTPS) TFT have some disadvantages and obstacles, but metal oxide semiconductor TFTs have unique merits differently with them. Applications of oxide semiconductor TFTs can be applied in high-resolution AMLCD TFT back-plane, large area AMOLED, flexible display, and transparent display. The electrical properties of TFTs have been improved to meet demands of industry such as higher definition, faster operating speed, and low-voltage operation. In a kind of effort to meet demands, various metal oxide semiconductor materi-als have been studied and demonstrated. New compositions such as In-Zn-O, In-Ga-Zn-O, and cation- or anion- doped oxide, and new process such as aqueous solution route, fuel-induced thermal annealing were studied. However, the improvements by new design of oxide semiconductor material have the limi-tation. In addition to MOS, the gate dielectrics are also essential component in thin-film transistor. Gate dielectrics always are contacted with semiconductor materials and critically affect the electrical proper-ties of semiconductors. Requirements of gate dielectrics can be low leakage current, wide band gap, good interface quality, compatibility with semiconductor materials, and thermodynamic stability. $SiO_2$ is most famous and used gate dielectric, but it have low dielectric constant (~3.9). High-k dielectric constant (high-k) materials are widely studied for continuing the scaling trend of metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) to replace SiO2. Generally, the high electrical capacitance of gate dielectrics with a high dielectric constant (k) can induce some advantages such as a low operating voltage, and a high on-current level in thin-film transistor devices. Typical examples of alternatives of $SiO_2$ can be $Al_2O_3, Y_2O_3, ZrO_2, and HfO_2$.
Recently, some groups reported solution-processed oxide TFT with mobility over $100cm^2/Vs$ by using high-k dielectrics such as $YO_X$ and $AlO_X$. This high mobility was calculated by using capacitance measured at 1MHz frequency. However, this quite high mobility could be overestimated because they used capacitance of 1MHz frequency to calculate mobility. Capacitance is dependent on frequency and selection of capacitance used in calculation should be careful.
In this work, the effect of ethylene glycol incorporated dielectrics on characteristics of oxide TFTs is studied. TFTs with ethylene glycol incorporated gate dielectric showed mobility over 100 $cm^2/Vs$. However, when we considered the capacitance dependence on frequency, the mobility was critically low-ered. When ethylene glycol was used as solvent, ethylene glycol was incorporated in gate dielectric layer in low temperature annealing. Ethylene glycol incorporation induced increased capacitance in low fre-quency, and made high on-current level of TFTs. This effect finally made overestimated mobility. Therefore, when high-k dielectric was used in TFTs, the capacitance used in mobility calculation should be carefully selected.
금속 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터 (Thin film transistor, TFT)는 기존의 비정질 Si TFT와 저온 다결정 Si TFT 소자가 가지지 못하는 장점들이 보고되면서 차세대 디스플레이 구동 소자로 주목을 받고 있다. 대표적인 산화물 반도체 물질의 장점으로는 높은 전하 이동도, 균일성과 투명성이 있다. 특히, 산화물 반도체 물질은 비정질 상태에서도 높은 전하 이동도를 가지고, 이로 인해 제작 과정에서 균일성 또한 확보 할 수 있어 산업에 적용에 있어 큰 이점을 가진다. 산화물 박막 트랜지스터는 고 해상도 AMLCD TFT용 Backplane과 중대형 AMOLED, Flexible Display, Transparent Display 등에 응용 가능하다. 현재 산업적 측면에서, 산화물 박막 트랜지스터는 더 빠른 구동 속도와 높은 해상도, 그리고 저 전압 구동 등의 향상된 전기적 특성이 요구되고 있다. 이런 요구에 맞추어 다양한 산화물 박막 트랜지스터들이 연구되어 왔다. 대표적으로 신 조성과 새로운 공정을 도입해 우수한 특성을 확보하는 연구가 주를 이루어왔다. 이러한 산화물 반도체 재료에 대한 연구는 많이 진행되어 왔고, 특성 향상에 있어 한계에 다다른 경향이 있다. 이에 따라 산화물 박만 트랜지스터를 구성하는 또 다른 박막인 게이트 절연막에 대한 연구가 주목 받고 있다. 게이트 절연막은 산화물 반도체와 계면을 형성하며 산화물 박막 트랜지스터의 특성에 큰 영향을 미친다. 현재 사용하는 대표적인 게이트 절연막은 $SiO_2$으로 우수한 안정성이 확보되어 있다. 하지만 SiO2는 낮은 절연상수(k~3.9)를 보이기 때문에 태생적인 한계를 보인다. 이런 단점을 극복하고 트랜지스터의 특성을 향상시키기 위해 높은 절연상수를 가지는 물질 (High-k material)이 주목 받고 있다. High-k 재료를 사용함으로써 트랜지스터의 구동 전압을 낮추고, 높은 소스-드레인 전류를 높일 수 있는 장점이 있다. 대표적인 High-k 물질로는 $Al_2O_3, Y_2O_3, ZrO_2, HfO_2$ 등을 들 수 있다. 최근 용액 공정을 통해 제작한 High-k 물질을 이용하여 $100cm^2/Vs$이 넘는 전하 이동도를 보이는 산화물 박막 트랜지스터를 제작한 연구가 보고 되고 있다. Song et al. 은 이트륨 산화물 ($YO_x$) 게이트 절연막과 아연 산화물 (ZnO)을 400oC 에서 열처리하여 $135cm^2/Vs$의 높은 전하 이동도를 얻었다. 또한 Nayak et al. 은 알루미늄 산화물 ($AlO_X$, 350℃ 열처리)과 $In_2O_3$ (250℃ 열처리) 반도체를 이용하여 $127cm^2/Vs$ 의 전하 이동도를 얻었다.
하지만 이러한 높은 전하 이동도가 단순히 High-k 절연막을 사용함으로써 얻어 졌다고 보기에는 무리가 있다. High-k 물질을 사용하여 제작한 박막 트랜지스터의 경우 전하 이동도를 계산 할 때는 게이트 절연막의 전기적 특성을 필수적으로 고려할 필요가 있다. 게이트 절연막의 특성이 박막 트랜지스터의 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 ethylene glycol (EG)가 함유된 aluminum oxide (AO) 게이트 절연막을 제작하였다. 저온에서 열처리 한 Ethylene glycol이 함유된 aluminum oxide (EG AO)를 사용한 박막 트랜지스터의 경우 전하 이동도가 $136cm^2/Vs$ 로 계산되었다. 하지만 이 게이트 절연막의 전기적 특성, 절연상수를 살펴 볼 때 frequency 에 따라 매우 큰 편차를 보였다. 일반적으로 전하 이동도를 계산 할 때 절연상수는 1MHz 부근의 높은 frequency에서 측정한 값을 사용한다. 하지만 실제 박막 트랜지스터가 작동하는 frequency는 정적인 조건, 즉 low frequency로 보는 것이 정확하다. 따라서 이러한 low frequency 의 값을 사용해 전하 이동도를 계산 할 경우 $46.2cm^2/Vs$의 값을 얻을 수 있었다. 1HMz 에서 측정한 절연상수 값을 사용했을 때와 약 3배의 차이를 보였다. 이러한 차이는 여러 분석을 통해 ethylene glycol이 절연막에 함유되어 미치는 효과로 확인 되었다. 따라서 High-k 물질을 사용한 박막 트랜지스터, 특히 기타 불순물이 함유 될 수 있는 경우에 절연막의 특성을 고려해 전하 이동도가 높게 평가되는 경우를 필수적으로 고려해야 할 것이다.
