Enhanced threshold voltage photostability in amorphous oxide thinfilm transistors through hydrogen and oxygen defect reduction

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates how hydrogen- and oxygen-related defect states—such as metal–hydrogen complexes, hydroxyl (–OH) groups, and peroxide (O–O) bonds—govern photo-induced threshold-voltage (Vth) degradation in amorphous oxide thin-film transistors (TFTs), and demonstrates that targeted channel engineering can effectively suppress these defects and enhance stability under negative-bias illumination stress (NBIS). Two complementary approaches were employed to mitigate distinct Vth degradation modes.
First, CF4 plasma treatment was applied to bottom-gate, low-temperature processed amorphous indium–gallium–tin oxide (a-IGTO) TFTs to suppress the pronounced negative Vth shift typically induced under NBIS. Optimized plasma exposure introduced carbon and fluorine dopants that bond with metal and oxygen atoms in the oxide network, thereby reducing potential sites for oxygen-vacancy–related deep state and hydrogen/oxygen-associated bond formation. Because these impurity-related defects act as donor-like centers that generate electrons under combined bias and illumination, their suppression directly reduced NBIS-induced electron generation and mitigated the negative Vth shift.
Second, the active-layer thickness in flexible top-gate a-IGZO TFTs was optimized to address an abnormal positive Vth shift observed during NBIS at elevated temperature. Physicochemical analyses revealed that thinner IGZO layers incorporate markedly fewer hydrogen- and hydroxyl-related impurities during PECVD gate-dielectric deposition due to smoother surfaces and reduced incorporation pathways. Under NBIS, hydrogen/oxygen-related defect fo—most notably peroxide formation—reduces mobile-hole density and enhances electron trapping at back-channel and barrier interfaces, thereby driving the abnormal positive Vth shift. Thinner IGZO layers exhibited lower impurity content, reduced gap defect density, and smoother interfaces, which collectively suppressed both defect formation and charge-trapping processes.
Together, the CF4-treated a-IGTO TFTs and thickness-optimized a-IGZO TFTs establish a unified mechanism linking the suppression of hydrogen- and oxygen-related defects to improved NBIS reliability. Reducing hydroxyl and peroxide defect states—either through fluorine-mediated chemical passivation or structural control of impurity incorporation—minimizes photo-generated carrier formation, suppresses charge trapping, and stabilizes Vth under prolonged illumination bias. These findings advance the fundamental understanding of hydrogen/oxygen defect chemistry in amorphous oxide semiconductors and provide practical defect-engineering strategies for achieving highly stable, high-performance TFTs for next-generation flexible and transparent display technologies.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 비정질 산화물 박막 트랜지스터 (amorphous oxide TFT) 에서 금속–수소 결합, 수산기(–OH), 퍼옥사이드(O–O) 결합과 같은 수소·산소 관련 결함 상태가 광유도 문턱전압 (Vth) 열화에 미치는 영향을 규명하고, 채널 공학을 통해 이러한 결함을 효과적으로 억제하여 음의 바이어스 광조사 스트레스(NBIS) 하에서의 안정성을 향상시킬 수 있음을 제시한다. 이를 위해 서로 다른 Vth 열화 메커니즘을 개선하기 위한 두 가지 상보적인 접근법을 적용하였다.
첫 번째로, CF4 플라즈마 처리를 저온 공정 기반의 바텀게이트 비정질 인듐–갈륨–주석 산화물(a-IGTO) TFT에 적용하여, NBIS 하에서 나타나는 큰 폭의 음의 Vth 이동을 억제하였다. 최적화된 플라즈마 처리는 탄소와 플루오린 도펀트를 산화물 네트워크 내의 금속 및 산소 원자와 결합시켜 산소 공공 (oxygen vacancy) 관련 심층 준위 및 수소·산소 결합 기반 서브갭 결함 생성 가능 위치를 감소시켰다. 이러한 불순물 기반 결함은 음의 바이어스와 광조사가 동시에 인가될 때 전자를 생성하는 도너형 중심으로 작용하기 때문에, 이들의 억제는 NBIS 동안의 과도한 전자 생성 감소와 음의 Vth 이동 완화로 직결되었다.
두 번째로, 유연 탑게이트 구조를 갖는 a-IGZO TFT에서 활성층 두께를 최적화하여 고온 NBIS 조건에서 관찰되는 비정상적인 양의 V소 이동을 해결하였다. 물리·화학적 분석 결과, 얇은 IGZO층은 표면이 상대적으로 매끄럽고 불순물 도입 경로가 줄어듦에 따라 게이트 절연막의 PECVD 증착 과정에서 수소 및 수산기 기반 불순물이 현저히 적게 포함됨을 확인하였다. NBIS 조건에서는 특히 퍼옥사이드 생성과 같은 수소·산소 관련 결함의 화학적 진화가 이동 정공 밀도를 감소시키고, 동시에 백채널 및 배리어 계면에서의 전자 트래핑을 증가시켜 비정상적인 양의 Vth 이동을 유발한다. 그러나 얇은 IGZO층은 낮은 불순물 함량, 감소된 서브갭 결함 밀도, 그리고 개선된 계면 특성을 나타내어 결함 생성과 전하 트래핑 현상을 효과적으로 억제하였다.
CF4 처리된 a-IGTO TFT와 최적화된 두께의 a-IGZO TFT에 대한 이러한 결과는 수소·산소 관련 결함의 억제가 NBIS 신뢰성 향상으로 이어지는 통합적인 메커니즘을 제시한다. 플루오린 기반 화학적 패시베이션 또는 구조적 설계를 통한 불순물 확산 억제를 통해 수산기 및 퍼옥사이드 결함을 감소시키면, 광유도 전자–정공 생성이 최소화되고 전하 트래핑이 억제되며, 장시간 광바이어스 작동 동안 문턱전압 안정성이 크게 향상된다. 본 연구는 비정질 산화물 반도체에서의 수소·산소 결함 화학과 광기인 신뢰성 열화 간의 상관관계를 규명하고, 차세대 유연·투명 디스플레이용 고신뢰성 고성능 TFT 구현을 위한 실질적인 결함 공학 전략을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background 7
• 2.1 Amorphous metal-oxide thin-film transistors (AMOS TFTs) 7
• 2.2 Device structures of AMOS TFTs 9
• 2.3 Operational principles of AMOS TFTs 11
• 2.4 Main types of defect states in AMOS TFTs 17
• 2.5 Two degradation mechanisms under combined negative bias and illumination stress 20
• Chapter 3. Experimental methods 26
• 3.1 Fabrication of pristine and CF4 plasma-treated a-IGTO TFTs 26
• 3.2 Fabrication of top-gate flexible a-IGZO TFTs with varied channel thickness 28
• 3.3 Physicochemical and defect characterization 30
• 3.4 Electrical measurements and stress testing 35
• Chapter 4. Results and discussion 36
• 4.1 Improved NBIS-induced negative threshold voltage instability through CF4 plasma treatment 36
• 4.1.1 Physicochemical analyses on CF4 plasma-treated a-IGTO films 38
• 4.1.2 Chemical bond and defect characterization of CF4 plasma-treated a-IGTO TFTs 43
• 4.1.3 Electrical characteristics of CF4 plasma-treated a-IGTO TFTs 50
• 4.1.4 Stability of CF4 plasma-treated a-IGTO TFTs under negative bias illumination stress (NBIS) 56
• 4.1.5 Discussion 60
• 4.2 Improved NBTIS-induced abnormal positive threshold voltage shift through channel thickness optimization 62
• 4.2.1 Threshold voltage behavior under NBTS 65
• 4.2.2 Threshold voltage behavior under NBTIS 68
• 4.2.3 Defect state density in a-IGZO active layer 71
• 4.2.4 Hydrogen and oxygen content in a-IGZO active layer 73
• 4.2.5 Chemical bond states associated with hydrogen and oxygen 77
• 4.2.6 Mechanism of positive Vth shift under NBTIS 80
• 4.2.7 Discussion 86
• Chapter 5. Conclusion 88
• References 91
• Korean abstract 102