극한 환경에서 우수한 안정성과 전기적 특성을 가지는 용액공정 기반 Sb:IGZTO 박막 트랜지스터 = Solution-Processed Sb:IGZTO Thin-Film Transistors Exhibiting Superior Stability and Electrical Performance in Extreme Environments

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, antimony (Sb) was doped into the amorphous oxide semiconductor (AOS) Indium-Gallium-Zinc-Tin Oxide (IGZTO) to simultaneously enhance the electrical performance and stability of thin-film transistors (TFTs). Although oxide semiconductor TFTs are promising for next-generation displays and flexible electronics, the trade-off between mobility and stability remains a challenge. To address this, Sb doping was employed to improve carrier mobility while suppressing oxygen vacancies (Vo). As a result, Sb:IGZTO (3%) TFTs achieved a mobility of 16.43 cm²/V·s, subthreshold swing (SS) of 0.374 V/decade, and on/off ratio of 1.673×10⁶. Sb⁵⁺ acted as a shallow donor, increasing free electron concentration and reducing trap states. Moreover, bias stress tests and long-term evaluations under 85°C/85% RH for 90 days showed reduced ΔVth shifts and 74.98% mobility retention. XPS analysis confirmed that Sb⁵⁺ enhanced M–O bonding and mitigated defect formation, verifying Sb doping as an effective route to high-performance, stable solution-processed oxide TFTs.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 비정질 산화물 반도체(amorphous oxide semiconductor, AOS)인 Indium-Gallium-Zinc-Tin Oxide (IGZTO)에 Antimony (Sb)를 도핑하여, 박막 트랜지스터 (thin-film transistor, TFT)의 전기적 성능과 안정성을 동시에 향상시키고자 하였다. 산화 물 반도체 TFT는 차세대 디스플레이 및 유연 전자소자에 적합한 후보 소재이나, 이동
도와 안정성 간의 trade-off 문제로 인해 개선이 요구된다. 이를 해결하기 위해 Sb 도 핑을 통해 이동도 향상과 산소 결함(oxygen vacancy, Vo) 억제를 동시에 달성하고자 하 였다. 그 결과, Sb:IGZTO(3%) TFT는 16.43 cm²/V·s의 이동도, 0.374 V/decade의 subthreshold swing(SS), 1.673×10⁶의 on/off 전류비를 달성하며 기존 IGZTO TFT 대비 전기적 특성이 크게 향상되었다. 특히, Sb⁵⁺는 높은 산화 상태의 shallow donor로 작용 하여 자유 전자 농도를 증가시키고 trap state를 억제함으로써 성능 향상에 기여하였
다. 또한, 바이어스 스트레스(PBS, NBS, PBTS, NBTS, PBIS, NBIS) 실험 및 고온·고습 환경 (85°C, 85% RH, 90일)에서의 장기 안정성 평가 결과, Sb:IGZTO TFT는 IGZTO 대비 ΔV_th 이동이 작고, 초기 이동도의 74.98%를 유지하며 우수한 신뢰성을 나타냈다. XPS 분석
결과 Sb⁵⁺는 M–O 결합을 강화하고 산소 및 수분 유래 결함 생성을 억제하여 장기적
구조 안정성에도 기여함을 확인하였다. 결과적으로 Sb 도핑이 용액 공정 기반 산화물
반도체의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 유효한 전략임을 입증하였으며,
향후 고신뢰성 전자소자 개발에 있어 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1. 산화물 반도체 3
• 2.1.2. In-Ga-Zn-O 7
• 2.2. 산화물 박막트랜지스터 9
• 2.2.1. 산화물 박막트랜지스터의 구조 9
• 2.2.2. 산화물 박막트랜지스터의 동작 원리 11
• 2.2.3. 산화물 박막트랜지스터의 전기적 특성 13
• 2.3. 용액 공정 15
• 2.3.1. 졸-겔 공정 15
• 2.3.2. 스핀코팅 공정 18
• 3. 실험 방법 20
• 3.1. Sb:IGZTO 박막트랜지스터 제조 20
• 3.1.1. Sb:IGZTO 박막 증착 20
• 3.1.2. Sb:IGZTO 박막 식각 21
• 3.1.3. ITO 전극 형성 22
• 3.2. Sb:IGZTO 박막 및 소자 특성 분석 방법 25
• 3.2.1 XPS (X-ray Photoelectorn Spectroscopy) 25
• 3.2.2. Hall effect measurement 27
• 3.2.3. I-V 곡선 분석 29
• 3.2.4. Atomic force microscope 31
• 3.2.5. U-V visible 및 band edge state fitting 33
• 3.2.6. Grazing-incidence X-ray diffractometer 35
• 4. 실험결과 및 고찰 37
• 4.1. Sb:IGZTO 박막 트랜지스터의 전기적 특성과 박막의 hall effect measurement 분석 37
• 4.2 Sb:IGZTO 박막 트랜지스터의 다양한 환경에서 안정성 분석 43
• 4.3. Sb:IGZTO 박막 트랜지스터의 광응답성 분석 47
• 4.4. Sb:IGZTO 박막의 XPS 분석 50
• 4.5. Sb:IGZTO 박막의 U-V visible 및 band edge state fitting 분석 58
• 4.6. IZO, IYZO, IGZO 박막 트랜지스터의 AFM,GIXRD 분석 63
• 5. 극한 환경에서 Sb:IGZTO 박막 트랜지스터의 장기안정성 분석 65
• 5.1. 장기극한 환경에서의 Sb:IGZTO 박막 트랜지스터의 전기적 특성 변화분석 65
• 5.2. 장기극한 환경에서의 Sb:IGZTO 박막 트랜지스터의 XPS 특성 변화분석 72
• 6. 결론 78
• 참고문헌 79
• Abstract 86