용액 공정 In-Ga-O 박막 트랜지스터의 전기적 성능 향상을 위한 섬유 레이저 기반 후처리 기법 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 기판에 손상을 주지 않는 산화물 반도체의 후처리 기법의 개발을 목표로 섬유 레이저를 이용한 용액 공정 In-Ga-O 박막 트랜지스터의 물질 특성과 전기적 성능을 탐구하였다. 최근 디스플레이 산업에서 활발하게 연구되고 있는 플렉서블 디스플레이 산업에서는 PI 종류의 기판에 손상을 주지 않고 산화물 반도체를 어닐링 하는 기술이 필수적이다. 본 연구에서는 기존에 LTPS 생산에 활발하게 사용되던 엑시머 레이저가 아닌 섬유 레이저를 이용한 후처리가 소자 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 우선 인듐: 갈륨 조성을 다양하게 한 IGO 박막을 UV-vis 분석하여 섬유 레이저의 파장인 355nm에서 흡수 정도를 확인하였다. UV-vis 결과와 갈륨 함량에 따른 TFT의 전기적 특성 결과를 참고하여 최적의 인듐: 갈륨 조성비인 92.5 : 7.5 를 채택하였다. 스핀 코팅 방법을 통해 만든 IGO 박막에 섬유 레이저를 각각 0, 25 mJ/cm2, 50 mJ/cm2, 75 mJ/cm2, 100 mJ/cm2의 세기로 조사한 후 GIXRD 분석을 통해 이들의 결정성을 확인하였다. 그 결과 레이저를 조사하지 않았을 때 약하게 보였던 결정성이 레이저 세기에 비례해서 커지다가 50 mJ/cm2일 때 가장 결정성이 높게 나오고 그 이후로는 급격히 결정성을 잃어버렸다. 이는 최적화된 세기의 레이저를 조사했을 때 결정성이 높아짐을 시사한다. 이어서 XPS 분석을 통해 화학적 결합을 분석했는데 GIXRD의 경향성과 유사하게 M-O 결합이 50 mJ/cm2일 때 가장 높게 측정되었고 그 이후엔 감소하였다. 이를 통해 레이저 조사는 결정성뿐만 아니라 M-O 결합에도 영향을 주고 이를 이용하면 전기적 특성의 조절 또한 가능하다는 점을 확인하였다. 추가적으로 박막의 AFM 분석을 통해 100 mJ/cm2를 제외한 나머지 레이저 세기에서는 박막 표면의 손상이 없다는 점을 확인하였다. 마지막으로 박막 단면의 HTREM 분석을 통해 레이저 조사에 따른 결정성 증가를 다시 한번 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 바텀 게이트 TFT 소자를 제작하여 서로 다른 세기의 레이저를 조사하고 전기적 특성을 분석하였다. 앞선 박막 분석에서 가장 좋은 특성을 나타낸 50 mJ/cm2의 세기로 레이저를 조사한 TFT 소자가 이동도 36.74 cm2V-1s-1, 문턱 전압 -0.06V로 가장 좋은 전기적 특성을 띄었다. 레이저를 조사하지 않은 소자와 비교했을 때 이동도와 문턱 전압이 모두 향상되며 섬유 레이저 후처리의 효과를 입증하였다.
이 연구는 섬유 레이저 후처리를 통한 산화물 반도체의 성능 개선 가능성을 입증하였으며, 이동도와 문턱 전압을 모두 개선하여 기존의 산화물 반도체에서의 상충 관계를 벗어났다는 점에서 의의가 있다. 이러한 결과는 차세대 플렉서블 디스플레이 공정에서 효율적인 성능 개선을 위한 방향성을 제시하며, 반도체 소자의 성능 향상과 공정 효율성 증대에 기여할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop a post-treatment technique for oxide semiconductors that minimizes substrate damage by employing fiber laser irradiation to investigate the material properties and electrical performance of solution-processed indium gallium oxide (IGO) thin-film transistors. In the rapidly growing flexible display industry, it is essential to anneal oxide semiconductors without damaging polyimide-based substrates. Unlike conventional excimer lasers widely used in LTPS production, this work analyzes the influence of fiber laser post-treatment on device performance.
First, IGO films with various In: Ga ratios were analyzed using UV-vis spectroscopy to evaluate light absorption at 355 nm, corresponding to the emission wavelength of the fiber laser. Based on UV-vis results and the electrical performance of TFTs with different Ga contents, an optimal composition ratio of In: Ga = 92.5:7.5 was selected. The IGO films were prepared by spin-coating and irradiated with fiber laser fluences of 0, 25, 50, 75, and 100 mJ/cm². GIXRD analysis confirmed that crystallinity increased with laser fluence, reaching a maximum at 50 mJ/cm², indicating that optimal laser energy enhances structural ordering.
XPS analysis revealed a similar trend, showing that the M-O bond fraction peaked at 50 mJ/cm²and then decreased, suggesting that laser irradiation influences both crystallinity and chemical bonding, thereby allowing control over electrical characteristics. AFM results demonstrated that the film surface remained undamaged at all fluences except 100 mJ/cm2, where melting and re-amorphization occurred. HRTEM analysis further confirmed the enhanced crystallinity of the laser-irradiated films.
Based on these findings, bottom-gate TFTs were fabricated and exposed to varying laser fluences for electrical characterization. The device irradiated at 50 mJ/cm2 exhibited the best performance, achieving a field-effect mobility of 36.74 cm2V-1s-1 and a threshold voltage of -0.06 V. Compared with untreated devices, both mobility and threshold voltage were significantly improved, demonstrating the effectiveness of fiber laser post-treatment.
This study validates the potential of fiber laser processing as a low-damage, high-efficiency method for enhancing oxide semiconductor performance. By simultaneously improving mobility and threshold voltage, it successfully overcomes the conventional trade-off relationship, providing a promising strategy for next-generation flexible display fabrication with improved process compatibility and device reliability.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 실험부분 3
• 2.1 IGO 박막 제작 및 분석 3
• 2.1.1 일반적인 고려사항 3
• 2.1.2 IGO 용액 제조 방법 3
• 2.1.3 IGO 박막 제작 3
• 2.1.4 IGO 박막 특성 분석 4
• 2.2 용액 공정을 이용한 IGO TFT 소자 제작 및 측정 5
• 2.2.1 프레임 패턴 5
• 2.2.2 게이트 5
• 2.2.3 게이트 절연막 5
• 2.2.4 채널 제작 5
• 2.2.5 비아홀 (Via hole) 6
• 2.2.6 소스/드레인 전극 증착 6
• 2.2.7 전기적 특성 측정 6
• 3. 실험 결과 및 고찰 10
• 3.1 섬유 레이저 세기에 따른 IGO 박막 특성 10
• 3.1.1 UV-vis 흡광도 측정 10
• 3.1.2 갈륨 함량에 따른 TFT 소자의 I-V 특성 비교 12
• 3.1.3 GIXRD 15
• 3.1.4 XPS 17
• 3.1.5 AFM 20
• 3.1.6 Ga2O3 캡핑층 22
• 3.1.7 레이저를 조사하지 않은 박막의 HRTEM 이미지 25
• 3.1.8 레이저를 조사한 박막의 HRTEM 이미지 28
• 3.2 섬유 레이저 세기에 따른 IGO TFT의 전기적 특성 31
• 3.2.1 I-V 전달 특성 31
• 3.2.2 출력 특성 35
• 3.2.3 전기적 안정성 37
• 4. 결론 40