Studies on Degradation Mechanism of Flexible Oxide Thin Film Transistors under Dynamic Mechanical Stress

Abstract

Flexible electronics are changing the electronics paradigm due to various design transformations and applicability. In order to apply real flexible or human-body implantable electronics, many technical issues are solved. Especially, it is required for thin film transistors (TFTs) to low fabrication process temperature due to low thermal stability of flexible substrates and hardly change of electrical performance under mechanical stress.

The former can be solved by using of polyimide (PI) substrates and oxide semiconductor TFTs. However, the latter cannot be avoid because real flexible display need free bending or folding for natural flexible UI/UX, which recognizes user’s command. Consequently, degradation of the electrical characteristics of the flexible TFT by mechanical stress is an unavoidable phenomenon.

In order to apply real flexible electronics, it is necessary to understand the origin of deterioration of electrical performance of flexible oxide TFTs by various mechanical stress conditions. In addition, the external energy sources, which is oriented by device operation, is applied to mechanically degraded TFTs in order to understand electrical performance change of TFTs by stresses.

First, we focused on the change of interface characteristic change by the thermal energy. The relaxation energy of trap sites at GI/active interface region created by mechanical stress are extracted using stretched exponential equation. The extracted value of Eτ and Ea were 276 meV, and 99 meV, respectively. Consequently. interface properties are easily degraded by mechanical stress and also removed easily by external energy sources.

In addition, we used the bias energy to evaluate the change of materials properties. DC bias energy degraded the electrical performance of TFTs because field created by gate voltage make oxygen related defect states in active layer. However, after pulse bias injection to mechanically degraded TFTs, electrical properties are significantly improved compare to before pulse bias injection.

To understand the effects of pulse bias on the flexible oxide TFTs, subgap DOS and XPS O 1s analysis are conducted. subgap DOS is decreased at all energy levels after pulse bias injection to TFTs. In addition, XPS O 1s analysis shows relative area of unstable oxygen deficient peak is decrease and stable metal-oxygen peak is increased. Consequently, it is thought that the external stresses generated by the device driving might be act not degraded but restored the electrical characteristics of the TFTs that is degraded by the mechanical stress.| 기존 평판 글라스 위 제작되던 디스플레이가 디자인적 자유도가 높고 신체에 부착이 가능하여 다양한 기능들을 수행해 낼 수 있으며 다양한 분야에 응용이 가능한 플렉시블 디스플레이로의 변화를 요구 받으면서 다양한 기술적 이슈들이 발생하고 있다.

특히 백플레인 디스플레이의 경우 글라스 기판을 대신하여 사용되는 플라스틱 기판의 낮은 열적 안정성 및 외기의 침투에 대해 취약하기 때문에 낮은 공정온도 및 외기에 의한 영향이 적게 제작되어야 한다. 또한, 백플레인 자체가 기계적 응력에 노출이 되기 때문에 기계적 응력에 의한 전기적 특성 저하도 적어야 한다. 또한 현재 고품위의 디스플레이의 품질 그대로 유지하면서 휘거나 신체에 부착 하는 것을 요구하기 때문에 백플레인의 높은 전기적 특성 역시 요구되고 있다.

이러한 이슈들을 해결하기 위해서 산화물 반도체 TFT가 주목받고 있다. 산화물 반도체의 장점은 기존 실리콘 기반 TFT 대비 높은 전기적 특성 및 신뢰성, 대면적 균일도, 플라스틱 기판 위 적용 가능한 공정온도 및 낮은 누설 전류 특성 등이 있다.

하지만 산화물 반도체 TFT 의 기계적 응력 하에서의 전기적 특성 변화에 대해서 보고한 논문은 많지 않다. 또한, 기존의 보고들에서는 기계적 응력 하에 있더라도 TFT의 전기적 특성이 거의 변하지 않거나, 변하더라도 반도체 층 단독의 열화로 인하여 특성 저하가 발생한다고 설명하고 있다.

따라서 본 연구에서는 산화물 반도체 TFT에 다양한 기계적 응력이 가해졌을 때 전기적 특성 열화를 관찰하고 이에 대한 다양한 원인에 대해 파악을 하였으며 기계적 응력에 의한 영향을 최소화하기 위한 구조 및 공정의 최적화에 대해 연구하였다.

첫 째로, 정적 기계적 응력에 의한 소자 특성 변화에 대하여 관찰하였다. 응력의 크기가 증가할수록 소자의 전기적 특성 및 신뢰성의 열화는 더 크게 관찰되었다. 이러한 현상은 기계적 응력에 의하여 TFT 내부에 defect state가 증가하여 발생한 것으로 판단할 수 있다. 또한, 기계적 응력의 방향에 따른 소자 특성 차이도 관찰하였다. 응력 방향에 따라서는 TFT의 전계 이동도 이외의 특성에서는 큰 차이를 보이지 않았다. defect 형성 방향과 응력의 축이 수직이냐 평행이냐에 따라 defect들의 전류의 흐름을 방해할 수도 있고 도와줄 수도 있기 때문에 이동도 특성에서 차이가 발생한다. 하지만, 생성된 defect의 양은 비슷하므로 신뢰성 특성에서는 큰 차이를 발생시키지 못한다.

두 번째로 동적 기계적 응력에 따른 TFT의 전기적 특성 변화에 대해 관찰하였다. 누적 기계적 응력이 가해짐에 따라서 TFT의 전기적 특성이 서서히 열화가 발생하고, 특정 사이클 이상의 응력을 받게 되면 전기적 특성을 잃게 된다. 또한 신뢰성 측정 도중 TFT의 off 전류의 증가 및 short 현상을 발견하였다. 이러한 현상에 대해 이해하기 위해 응력 분포도에 대하여 시뮬레이션 하였고 그 결과 절연체 및 반도체 주변 계면에 응력이 집중되고 이곳의 전기적 특성 열화로 인하여 발생하는 것으로 확인 되었다.

또한, 실제 구동시 발생하는 열적 스트레스 및 전계 스트레스에 의한 산화물 플렉시블 TFT의 전기적 특성 변화를 살펴보기 위하여 기계적 응력이 가해진 TFT에 thermal 및 bias energy를 인가하였다. 또한, 외부 에너지에 의한 변화의 원인에 대해 탐구하기 위하여 계면 및 재료의 특성 변화 과정에 대해 살펴보았다.

우선, 계면의 특성 변화 과정을 살펴보기 위하여 기계적 응력에 의해 열화된 TFT 에 thermal stress의 온도 및 시간의 변화를 주어 TFT의 interfacial trap site 의 변화를 살펴보았다. 그 결과 기계적 응력이 가해질수록 interfacial trap site가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 thermal stress의 온도가 증가할수록 interfacial trap site의 양이 감소함을 확인할 수 있었다. 계면 특성의 변화에 필요한 interfacial trap site의 relaxation energy를 구하기 위해 온도별 interfacial trap site의 변화를 추출하였다. 이후 stretched exponential 및 Arrhenius equation을 이용하여 Eτ 및 Ea를 구해본 결과 각각 276 meV, 및 99 meV가 나옴을 확인할 수 있었다. 따라서, 계면에 생성된 interfacial trap site들은 기계적 응력에 의해 쉽게 생성이 되고 또한 회복에 필요한 energy가 상당히 낮음을 알 수 있었다. 이를 통하여 thermal stress 는 TFT 계면에 기계적 응력에 의해 발생한 trap site들을 회복시켜 줄 수 있음을 확인하였다.

마지막으로 기계적 응력을 가하여 열화가 발생한 TFT에 다양한 bias stress를 인가하여 TFT의 전기적 특성 변화에 대해 살펴보았다. DC bias의 경우에는 field에 의한 active 내부의 defect state를 형성시켜 TFT의 전기적 특성을 열화시킴을 확인할 수 있었다. 하지만, pulse bias의 경우에는 특정 조건에서는 TFT의 전기적 특성의 회복을 확인할 수 있었다.

이러한 재료의 회복 과정에 대해 살펴보기 위하여 TFT active 영역의 subgap DOS 및 산소 결합 상태의 변화에 대하여 조사하였다. 그 결과 pulse를 인가하기 전 TFT의 DOS state 대비 pulse를 인가한 후의 DOS가 감소함을 확인할 수 있었다. 또한 XPS O 1s 결과 pulse인가 전 불안정한 oxygen deficient peak 이 증가하였고 안정한 metal-oxygen peak은 감소하였지만, pulse 인가 이후에는 deficient peak은 감소하고 metal-oxygen peak은 증가하였다. 결과적으로, device 구동 시 발생하는 stress 들은 특정 조건에서 오히려 기계적 응력에 의하여 열화된 TFT의 전기적 특성을 회복시켜 줄 수 있음을 확인할 수 있었다.; Flexible electronics are changing the electronics paradigm due to various design transformations and applicability. In order to apply real flexible or human-body implantable electronics, many technical issues are solved. Especially, it is required for thin film transistors (TFTs) to low fabrication process temperature due to low thermal stability of flexible substrates and hardly change of electrical performance under mechanical stress.

The former can be solved by using of polyimide (PI) substrates and oxide semiconductor TFTs. However, the latter cannot be avoid because real flexible display need free bending or folding for natural flexible UI/UX, which recognizes user’s command. Consequently, degradation of the electrical characteristics of the flexible TFT by mechanical stress is an unavoidable phenomenon.

In order to apply real flexible electronics, it is necessary to understand the origin of deterioration of electrical performance of flexible oxide TFTs by various mechanical stress conditions. In addition, the external energy sources, which is oriented by device operation, is applied to mechanically degraded TFTs in order to understand electrical performance change of TFTs by stresses.

First, we focused on the change of interface characteristic change by the thermal energy. The relaxation energy of trap sites at GI/active interface region created by mechanical stress are extracted using stretched exponential equation. The extracted value of Eτ and Ea were 276 meV, and 99 meV, respectively. Consequently. interface properties are easily degraded by mechanical stress and also removed easily by external energy sources.

In addition, we used the bias energy to evaluate the change of materials properties. DC bias energy degraded the electrical performance of TFTs because field created by gate voltage make oxygen related defect states in active layer. However, after pulse bias injection to mechanically degraded TFTs, electrical properties are significantly improved compare to before pulse bias injection.

To understand the effects of pulse bias on the flexible oxide TFTs, subgap DOS and XPS O 1s analysis are conducted. subgap DOS is decreased at all energy levels after pulse bias injection to TFTs. In addition, XPS O 1s analysis shows relative area of unstable oxygen deficient peak is decrease and stable metal-oxygen peak is increased. Consequently, it is thought that the external stresses generated by the device driving might be act not degraded but restored the electrical characteristics of the TFTs that is degraded by the mechanical stress.