Zr 도핑과 다층 박막 구조에 의한 용액 공정 산화물 반도체 소자 특성의 영향 = Effects of Zr doping and multi-stacked active layers on solution-processed metal oxide thin film transistors

국문 초록 (Abstract)

이 연구에서는 용액 공정으로 제작한 산화물 박막 트랜지스터를 기반으로, Zr 도펀트 첨가로 산화물의 조성을 변화시켰을 때의 소자의 특성 변화와 산화물 박막의 구조 변화에 따른 소자 특성 변화에 대해 살펴보았다.
먼저, Zr을 도펀트로 첨가한 Indium Zinc Oxide (InZnO) 박막 트랜지스터를 용액 공정으로 제작하였다. Zr은 InZnO 박막 내에서 캐리어 농도를 감소시키는 역할을 하였으며, 이 결과를 hall-effect measurements를 통해 확인하였다. Zr 첨가량이 늘어날수록, subthreshold swing (S.S) 값은 줄어들고, on/off 전류비는 개선되었으며 threshold voltage (Vth)는 양의 방향으로 움직였다. 그리고 Zr 도핑을 통해 박막 트랜지스터의 ON 상태가 시작되는 게이트 전압의 위치가 0 V에 가깝게 변하였다. 도핑되지 않은 InZnO 박막 트랜지스터가 전자 이동도는 10.1 cm2V-1s-1, ON/OFF 전류비가 1.7×106, S.S가 0.75 V/decade인 반면 0.3%로 Zr을 도핑한 InZnO 박막 트랜지스터는 7.0 cm2V-1s-1로 여전히 높은 전자 이동도를 갖고 있었으며 ON/OFF 전류비가 2.6×106, S.S가 0.57 V/decade였다. 게이트 바이어스 스트레스에 대한 안정성도 측정하였다. Zr의 도핑된 InZnO TFT는 positive bias stress (PBS)에서는 상대적으로 불안정했지만, negative bias stress (NBS)에서는 좋은 안정성을 나타냈다. InZnO 박막 트랜지스터의 NBS ΔVth는 –2.1 V인 반면, 0.3% Zr 도핑된 InZnO 박막 트랜지스터의 경우 –0.9 V를 나타냈다.
같은 조성을 갖는 InZnO 박막을 다층으로 쌓아서 박막 트랜지스터를 제작하였다. InZnO 층이 많아질수록 전자 이동도와 S.S는 향상되었고, transfer curve는 왼쪽으로 움직였다. 단층의 InZnO 박막 트랜지스터의 전자 이동도는 4.6 cm2V-1s-1, ON/OFF 전류비는 7.4×105, S.S는 0.71 V/decade 였으며, 세 층의 InZnO 박막 트랜지스터는 전자 이동도가 21.2 cm2V-1s-1, ON/OFF 전류비는 1.6×106, S.S 0.54 V/decade로 개선되었다. 세 층의 InZnO 박막 트랜지스터는 단층에 비해 NBS 안정성 면에서는 ΔVth가 -0.03 V에서 -1.5 V로 저하됐지만, PBS 안정성은 4.4 V에서 0.9 V로 향상되었다.
한 편, InZnO와 InGaZnO 두 가지 조성을 갖는 산화물을 이용해 이층 구조(bottom layer/top layer)를 갖는 산화물 박막 트랜지스터를 제작하여 소자 성능을 비교하였다. InZnO/InGaZnO와 InGaZnO/InZnO의 박막 트랜지스터를 비교해본 결과, InZnO/InGaZnO 박막 트랜지스터의 전자 이동도가 17 cm2V-1s-1로, 13.8 cm2V-1s-1인 InGaZnO/InZnO에 비해 높게 나타났다. 게이트 바이어스 스트레스 안정성의 경우, InGaZnO/InZnO 박막 트랜지스터는 PBS ΔVth와 NBS ΔVth는 각각 3.6 V, -2.1 V로 단층 InZnO 박막 트랜지스터보다 GBS 특성이 모두 떨어졌던 반면, InZnO/InGaZnO의 경우 PBS ΔVth와 NBS ΔVth는 각각 1.2 V, -1.2 V로 단층 InZnO에 비해 GBS에 안정한 것으로 나타났다. 위 결과를 토대로, 이층 구조에서 PBS 안정성은 bottom layer의 산화물 조성에 영향을 받고, NBS 안정성은 top layer에 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The solution-processed amorphous oxide thin film transistors (TFTs) were studied. In this paper, we investigated the effect of Zr doping on indium zinc oxide (InZnO) TFTs, also studied the electrical properties and gate bias stress (GBS) stabilities of TFTs with multi-stacked semiconductor layers.
Zr-doped InZnO TFTs were fabricated via a solution process with different Zr doping ratios. The addition of Zr suppressed the carrier concentration in the InZnO films, which was confirmed by Hall Effect measurements. As the amount of Zr was increased in the oxide active layer of TFTs, the subthreshold swing (S.S) reduced, the ON/OFF ratio improved, and the threshold voltage (Vth) shifted positively. Moreover, the starting points of the ON state for TFTs near the point zero gate voltage could be controlled by the addition of Zr. The 0.3% Zr-doped InZnO TFT exhibited a high saturation mobility of 7.0 cm2V-1s-1, ON/OFF ratio of 2.6×106 and S.S of 0.57 V/decade compared the InZnO TFT with 10.1 cm2V-1s-1, 1.7×106 and 0.75 V/decade. The Zr effect of the gate bias stability was examined. Zr-doped InZnO TFTs were relatively unstable under a positive bias stress (PBS), whereas they showed good stability at a negative bias stress (NBS). The NBS ΔVth of 0.3% Zr-doped InZnO TFTs was improved from –2.1 V for the InZnO TFT to –0.9 V.
Multi-stacked InZnO TFTs were fabricated by sol-gel method. As the number of InZnO layers was increased, the S.S was reduced, the mobility was increased, and the transfer curve of TFT was shifted negatively. The TFT with three-stacked InZnO layers showed high mobility of 21.2 cm2V-1s-1, ON/OFF ratio of 1.6×106 and S.S of 0.54 V/decade compared the InZnO TFT with 4.6 cm2V-1s-1, 7.4×105, 0.71 V/decade. The ΔVth under NBS of TFT with three-stacked InZnO layers deteriorated from –0.03 V to –1.5 V, whereas the ΔVth under PBS was improved from 4.4 V to 0.9 V.
The metal oxide TFTs with bilayer structure (Bottom layer/Top layer) were fabricated using InZnO and InGaZnO. The InZnO/InGaZnO TFT showed mobility of 17 cm2V-1S-1 compared to the InGaZnO/InZnO TFT with 13.8 cm2V-1S-1. In case of gate bias stress stability, the InGaZnO/InZnO TFT was more unstable than the single InZnO TFT. The InGaZnO/InZnO TFT exhibited PBS ΔVth of 3.6 V and NBS ΔVth of –2.1 V. However, the gate bias stress stability of InZnO/InGaZnO TFT was superior than the single InZnO TFT. The InZnO/InGaZnO had a PBS ΔVth of 1.2 V and NBS ΔVth of –1.2 V. This results suggested that the oxide composition of bottom layer affects PBS stability of TFTs and the Top layer have effect on NBS stability of TFTs.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 제 2장 이론적 배경 4
• 제 1절 박막 트랜지스터 4
• 제 2절 비정질 산화물 반도체 15
• 제 3절 용액 공정 18
• 제 3장 실험 방법 21
• 제 4장 결과 및 토의 25
• 제 1절 박막 분석 25
• 제 2절 캐리어 농도에 따른 소자 특성 34
• 제 3절 다층 구조를 갖는 산화물 반도체의 소자 특성 45
• 제 5장 결론 60
• 참고 문헌 62
• Abstract 65