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a-IGZO 산화물 투명 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 대한 신뢰성 향상 연구 = Improvement in gate bias stress instability of a-IGZO oxide transparent thin film transistors
서명 / 저자 a-IGZO 산화물 투명 박막 트랜지스터의 게이트 전압에 대한 신뢰성 향상 연구 = Improvement in gate bias stress instability of a-IGZO oxide transparent thin film transistors / 김응택.
저자명 김응택 ; Kim, Eungtaek
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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Recently, there has been growing interest in oxide-based semiconductors for applications to an advanced display because of the insufficiencies of Si-based devices such as a low field effect mobility ($~1 cm^2V^{-1}s^{-1}$) of the a-Si:H, a non-uniformity of the poly-crystalline silicon TFT in the short-length and their opaque optical characteristics. In particular, amorphous oxide semiconductor (AOS) has been considered as the most promising candidate for the next generation display since Nomura et al. reported first. That is because AOS has great advantages such as high mobility, high transparency property for the visible light and excellent uniformity due to the characteristic of amorphous active layer. For example, amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) has been investigated as an active layer of Thin Film Transistors (TFTs) by many researchers. The TFTs based on a-IGZO have shown high field effect mobility exceeding $~10 cm^2V^{-1}s^{-1}$ and high on-off ratio ($~10^8$) even if the TFTs were fabricated at room temperature. Furthermore, a-IGZO has a wide band-gap (3~3.05 eV), which cause the a-IGZO TFTs to have high transmittance for the visible light. For all the above reasons, we believe that a-IGZO is the most suitable active layer material for the transparent and high resolution displays. Nevertheless, there is still limitation to realize the advanced display, especially transparent display. The problem is the threshold voltage instability ($V_th$) of TFTs under gate bias stress. In case of AMLCD, TFTs have to be applied negative gate voltage to maintain the off-state with illumination by the back light such as white LED, which result in the Vth shift to negative direction. Furthermore, in case of transparent display, the display panel should be exposed to the sun during the daytime. In case AM-OLED, TFTs have to be applied positive gate voltage while OLEDs emit a light, which result in the Vth shift to positive direction. The origins of threshold voltage instability of a-IGZO TFTs have recently been investigated such as followings. I. Origins of instability under NBIS 1. Trapping or injection of photo-induced hole at gate insulator or insulator/channel interface. 2. Oxygen vacancy related origins A. Persistent photoconductivity due to ionization of oxygen vacancy B. Creation of sub-gap defect state in the channel layer 3. Ambient effects by water or oxygen II. Origins of instability under PBS 1. Negative charge trapping at the Channel/gate insulator interface 2. Negative charge injection into the gate dielectric bulk 3. Ambient gas effect by $H_2O$ or $O_2$ In this work, we suggest functional passivation layers that is the distributed bragg reflector (DBR) com-posed of the ZnS and LiF for the transparent TFTs to improve the stability under NBIS. We designed DBRs composed of ZnS and LiF to match the transmittance of DBRs to luminous function in order to maximize the luminous transmittance of DBRs and cut off under 450 nm of wavelength simultaneously. We confirmed that the cut-off range of DBR can be easily modulated by thickness of unit dyad. Furthermore, the $V_{th}$ instability of TFTs under NBIS can be suppressed evidently by DBR we optimized and TFT passivated with DBR showed the high luminous transmittance. Finally, we investigated the trap distribution in the a-IGZO oxide TFTs using the Low Frequency Noise (LFN) to make a comparison between protective layer (PL) deposited by thermal ALD (THALD) and plasma enhanced ALD (PEALD). The $V_th$ stability under PBS was degraded seriously as we applied PEALD to deposit PL. However, we confirmed that the Vth instability under PBS was suppressed as we deposited PL by THALD. To analyze the above results, we did LFN measurement of a-IGZO TFTs and confirmed TFTs (PL deposited by PEALD) showed more trap states than TFTs (PL deposited by THALD) especially at the chan-nel / gate insulator interface.

최근 10년 동안 전자, 통신, 재료 산업은 비약적인 발전을 이룩하였고, 이러한 기술적 발전을 토대로 시작된 유비쿼터스 시대에서는 언제 어디서든지 원하는 정보를 찾을 수 있으며, 자신의 생각을 다른 사람과 실시간으로 공유할 수 있음은 물론, 자신이 소유하는 모든 전자기기를 한데 묶어 제어 할 수 있게 되었다. 이러한 유비쿼터스 시대의 초래와 더불어 디스플레이 산업은 더 높은 수준의 기술을 요구하고 있다. 예를 들어, CRT에서 시작한 디스플레이 산업은 ACPDP 또는 LCD, 더 나아가 OLED와 같은 flat panel display의 형태로 발전하였고, 현재는 이러한 flat panel display를 뛰어 넘어 플렉시블, 웨어러블, 투명, 고해상도 디스플레이와 같은 한층 더 높은 수준의 차세대 디스플레이 구현에 필요한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 최근 들어 이러한 차세대 디스플레이 구현에 필수적이라고 할 수 있는 backplane에 대한 연구는 전 세계적으로 많은 대학과 산업체에서 이루어 지고 있다. 특히, 기존 a-Si:H의 낮은 이동도, poly-crystalline silicon TFT의 non-uniformity를 해결하고자, 우수한 이동도 및 좋은 소자 uniformity 갖는 oxide-based semiconductor에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 oxide-based semiconductor 중에서도, Nomura가 처음으로 Nature에 게재한 amorphous oxide semiconductor (AOS)를 이용한 Thin Film Transistor는 최근 차세대 backplane 기술로써 가장 각광 받고 있다. 그 이유는 세 가지 정도로 설명 된다. 첫 째 기존의 AOS의 경우, a-Si:H 대비 높은 이동도를 갖는다. 이러한 높은 이동도는 해상도가 점점 높아 질수록 그 중요성이 더욱 강조되고 있다. Super HD (8k 4k) 의 경우 120 Hz의 frame rate를 갖을 때, 10 cm2V-1s-1 이상의 이동도가 필요하다. 이러한 요구 사항은 ~ 1 cm2V-1s-1의 이동도를 나타내는 a-Si:H TFT로는 충족시킬 수가 없다. 이와 더불어 OLED 갖은 경우 전류 주입을 통해 발광이 이루어져 기존 LCD 대비 더 높은 이동도를 갖는 TFT가 필요하다. 두 번째 이유는 AOS TFT 소자의 뛰어난 uniformity 특성이다. Low temperature poly-Si (LTPS) 의 경우 100 cm2V-1s-1 정도의 매우 높은 이동도를 나타내지만, short range에서 발생하는 grain boundary 문제로 인하여 실제 상용화 하기에는 uniformity 특성이 좋지 않다. 하지만 AOS의 경우 channel 물질이 비정질의 특성을 가짐으로 방향성이 존재 하지 않아, LTPS에 비해 매우 우수한 uniformity를 나타낸다. 세 번째 이유는 wide band gap 특성이다. 보통 oxide semiconductor에서 channel로 사용되는 물질은 3 eV 이상의 band gap을 나타내며, AOS에서 active layer로 사용되는 amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) 경우 또한 3~3.05 eV의 wide band gap 특성을 나타낸다. 이러한 wide band gap 특성은 가시광 영역의 빛을 투과하여 투명 backplane을 제작하기 용이하다. 하지만 위에서 설명한 amorphous oxide TFTs의 여러 장점들에도 플렉시블 또는 투명 디스플레이와 같은 advanced display를 실제 상용화 하기 위해서는 아직 해결해야 될 문제점 들이 남아 있다. 바로 문턱 전압 불안정성이다. AMLCD의 경우 off-state를 유지하기 위해 마이너스 gate voltage를 가해주게 된다. 이 때 back light에서 나오는 빛이 TFT 소자에 조사되게 되는데, 이러한 상황을 Negative Bias Illumination Stress (NBIS) 라 부른다. 이와 더불어 투명 디스플레이의 경우에서 개구율을 높이기 위해 투명 backplane을 적용했을 때, Transparent TFT (TTFT) 가 햇빛 및 소자에서 발광 하는 빛에 노출 될 수 있어 심각한 문턱 전압 불안정성을 초래할 수 있다. 위에서 설명한 NBIS 상황에서 TFT 소자의 문턱 전압은 마이너스 쪽으로 움직이게 된다. 또한 유연성, 얇은 소자의 두께, 자체 발광 특성으로 차세대 디스플레이 소자로써 가장 주목 받고 있는 OLED의 경우, 구동 소자를 on-state로 유지한 상태에서 OLED에서 나오게 되는 빛이 TTFT 소자에 조사되게 되는데 이러한 상황을 Positive bias Illumination Stress (PBIS) 라 부른다. 이러한 PBIS 상황에서 문턱 전압의 변화는 양의 방향으로 움직이게 된다. 특히 OLED의 경우 전류 구동 방식으로 소자가 발광하므로 ±0.1 V의 작은 문턱 전압의 변화에도 20 % 가량의 많은 Luminance 변화량을 나타낸다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Distributed Bragg Reflector (DBR)를 이용한 optical filter를 제작 한 후 TFT에 적용하여 deep level에 존재하는 [VO]를 여기 시킬 수 있는 파장대역을 갖는 빛을 차단하고자 하였다. 또한 a-IGZO TFT의 LFN behavior를 이용하여 gate insulator 증착 방법 (PEALD / Thermal ALD) 에 따른 TFT의 trap state를 분석하였으며, TFT의 LFN behavior와 PBS 신뢰성 테스트의 결과를 상호 비교 하였다. 이를 통해 a-IGZO oxide thin film transistor의 gate bias stress 신뢰성을 향상 시킬 수 있는 gate insulator 공정 방법을 찾고자 한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 16078
형태사항 ix, 67 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Eungtaek Kim
지도교수의 한글표기 : 최경철
지도교수의 영문표기 : Kyung Cheol Choi
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 참고문헌 : p. 59-63
주제 투명 디스플레이
a-IGZO 박막 트랜지스터
음의 전압 및 빛의 스트레스
분배 브래그 반사기
양의 전압 스트레스
낮은 주파수 잡음
Transparent Displays
a-IGZO Thin Film Transistors
Negative Bias Illumination Stress
Distributed Bragg Reflectors
Positive Bias Stress
Low Frequency Noise
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