(A) chemical perspective on stability and performance in solution-processed amorphous IGZO transistors

국문 초록 (Abstract)

용액공정으로 제작된 비정질 인듐갈륨아연산화물 (a-IGZO) 박막 트랜지스터 (TFT)는 저비용, 대면적 적용성, 균일한 재료 특성으로 차세대 디스플레이 분야에서 주목받고 있다. 그러나 용액공정 a-IGZO TFT의 성능과 신뢰성은 제작 과정 및 환경 노출 시 발생하는 화학적 상호작용에 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 수산화 라디칼, 염소 도입, 그리고 물에 의한 열화가 용액공정 a-IGZO TFT의 전기적·구조적 특성에 미치는 영향을 조사하였다.

먼저, 자외선 조사된 탈이온수(UV-DI)에서 생성된 수산화 라디칼(OH•)을 이용해 저온 제작 공정을 개발하였다. 수산화 라디칼은 열중량분석(TG-DSC)에서 유기 잔류물을 낮은 온도에서 효과적으로 분해하는 것으로 확인되었으며, 제작된 TFT는 기존 공정 대비 포화 이동도가 거의 두 배로 증가하고 아임계 기울기가 개선되는 우수한 성능을 보였다. 이는 저온에서 고성능 산화물 반도체 제작의 유망한 방법임을 시사한다.

다음으로, 제작 환경에서 흔하지만 통제하기 어려운 염소 노출의 영향을 연구하였다. NaCl 용액 침지로 인한 염소 도입은 X선광전자분광법(XPS) 분석에서 산소 결손 증가 및 금속-산화물 결합 감소를 초래하였고, 이로 인해 전기적 성능 저하가 심각하게 나타났다.

마지막으로, Sol–gel 방식으로 제작된 a-IGZO TFT의 장시간 물 노출 안정성을 조사하였다. 특히 고온에서의 장기 침지는 mobility 저하, SS 증가, Vth 불안정성을 유발했다. XPS는 가수분해에 의한 M–O 결합 분해와 산소 공공 증가를 보여주었고, XRD는 비정질 구조 유지됨을 확인했다. AFM은 스파이크형 손상과 박리를 나타냈으며, 이는 산화물 소자의 신뢰성을 위해 엄격한 수분 관리가 필요함을 시사한다.

종합하면, 본 연구는 용액공정 a-IGZO TFT의 성능과 신뢰성 최적화에 있어 화학적 환경 제어가 매우 중요함을 밝히며, 수산화 라디칼 활용 공정, 염소 민감성, 물 유도 열화에 대한 이해가 향후 산화물 반도체의 확장성과 내구성 확보에 필수적임을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Amorphous indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO) thin-film transistors (TFTs), especially those fabricated via solution processing, have attracted significant attention for next-generation displays due to their low cost, scalability, and material uniformity. However, the performance and reliability of solution-processed a-IGZO TFTs are strongly influenced by chemical interactions during fabrication and environmental exposure. This thesis investigates the effects of hydroxyl radicals, chlorine incorporation, and water-induced degradation on the electrical and structural properties of solution-processed a-IGZO TFTs.
First, a low-temperature fabrication method was developed using hydroxyl radicals (OH•) generated via ultraviolet-irradiated deionized water (UV-DI). These radicals effectively decomposed organic residues at reduced temperatures, as confirmed by thermogravimetric and differential scanning calorimetry (TG-DSC). The resulting TFTs showed enhanced performance, with saturation mobility nearly doubling and subthreshold slope improving compared to conventional methods. This approach offers a promising route for low-temperature, high-performance oxide semiconductor fabrication.
Second, the impact of chlorine exposure—a common but often uncontrolled factor—was studied. Chlorine incorporation via NaCl soaking altered the chemical structure of IGZO films, increasing oxygen vacancies and reducing metal-oxide bonding, as revealed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). These changes caused significant electrical degradation, highlighting the detrimental effects of chlorine contamination.
The stability of sol–gel a-IGZO TFTs under prolonged water exposure was investigated. Extended soaking, especially at high temperatures, caused mobility loss, increased SS, and Vth instability. XPS revealed hydrolysis-driven M–O bond decomposition and oxygen-vacancy formation, while XRD confirmed preserved amorphous structure. AFM showed spike-like damage and delamination. These results emphasize the need for strict moisture control for reliable oxide semiconductor integration.
Collectively, this research highlights the critical role of chemical environment control in optimizing the performance and reliability of solution-processed a-IGZO TFTs. The insights from hydroxyl radical-assisted processing, chlorine sensitivity, and water-induced degradation provide essential guidelines for scalable, robust oxide semiconductor integration in future electronics.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Amorphous Oxide Semiconductor (AOS) thin-film transistors (TFTs) 1
• 1.2 Indium-Galliun-Zinc-Oxide (IGZO) 2
• 1.3 Solution processed Thin-film 4
• 1.4 TFT Performance parameters 6
• 2. Hydroxyl Radical from UV-irradiated DI water : A Simple Method for Enhancing Metal Oxide TFTs at Low Temperature 9
• 2.1 Introduction 9
• 2.2 Experiment 11
• 2.3 Result and Discussion 14
• 2.4 Conclusion 26
• 3. A study of Chlorine incorporation in amorphous In-Ga-Zn-O thin film transistors by soaking in NaCl solution 33
• 3.1 Introduction 33
• 3.2 Experiment 35
• 3.3 Result and Discussion 37
• 3.4 Conclusion 48
• 4. Effects of Water Exposure Duration and Temperature on the Performance of Solution-Processed a-IGZO TFTs 54
• 4.1 Introduction 54
• 4.2 Experiment 54
• 4.3 Result and Discussion 56
• 4.4 Conclusion 70