유기물 유전층을 사용한 산화아연 박막 트랜지스터에서 무기물 산화알류미늄 효과에 대한 연구

Abstract

최근의 LCD와 OLED 방식의 flexible display의 개발동향을 살펴보면 능동구동앙식으로 전환되고 있는 상황이며, 능동구동을 위한 구동 소자로는 비정질 실리콘(a-si) TFT 및 다결정 실리콘 (poly-Si)을 이용한 초저온다결정 실리콘 형성 TFT 기술과 pentacene, polythiophene계열 등의 유기 반도체를 이용한 OTFT (organic thin film transistor) 기술이 주요 핵심기술로 자리 잡고 있다. 그러나 향후 flexible display의 구체적인 시장이 형성되고 시장 규모 역시 폭발적으로 증가될 것으로 예측됨에 따라 이에 대응 하기 위해서는 경제성, 성능 그리고 신뢰성이 모두 확보되는 기술이 필수적이다. 실리콘 기술은 비정질의 경우 재료 자체적으로 가지고 있는 낮은 이동도가 문제이고 다결정 실리콘의 경우 고온의 프로세스가 필요하고 또한 고온을 피하기 위해서는 레이저등의 고가의 공정 과정을 필요로 한다. 유기물 사용의 경우 낮은 온도의 제작 빠르고 간단하면서 값싼 제조가 가능하다는 맥락에서 flexible display 와 같은 응용을 기대하며 연구가 진행되고 있다. 하지만 이들은 공기 중에 노출되면 수분과 화학 물질 등에 매우 약한 특성을 가지기 때문에 신뢰할 만한 소자 특성을 보이고 있지 못하며, 이동도를 비롯한 소자 전반의 특성이 현재 만족할 만한 수준의 결과를 보여주지 못하고 있는 실정이다. 그러므로 위의 여러 기술의 단점을 두루 극복할 수 있는 새로운 물질의 적용이 필요한 시점이다. 그중 넓은 band gap을 갖는 II-VI 화합물 반도체중의 하나인 ZnO는 optoelectronic device분야에서 화합물 반도체가 가지는 강점으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 특히 flexible electronics 분야에서 Organic dielectric를 사용한 ZnO를 기반 TFT가 광범위하게 연구되어지고 있다. 이러한 hybrid TFT는 Inorganic semiconductor가 갖고 있는 빠른 charge carrier mobility와 organic dielectric에서의 낮은 공정 제작비 그리고 탁월한 flexible 특성등의 장점들의 결합으로 함께 synergy 효과를 낼 수 있으므로 큰 강점이 있다. organic dielectric은 보통 gate insulator로써 사용되기에 inorganic dielectric에 비하여 낮은 capacitance를 갖고 높은 leakage current를 갖는다. 또한 대부분의 organic material는 inorganic material에 비해 더 hydrophobic한 특성을 가져 organic material위에 inorganic material의 직접적인 증착에 문제를 야기시킬 수 있다. 이러한 문제들은 organic material과 inorganic high-k dielectric layer를 bilayer로 증착하여 해결할 수 있으며 이 연구에서는 organic/inorganic dielectric이 device performance 증가에 미치는 영향을 알아보기 위하여 먼저 단일 PVP와 PVP/Al₂O₃ dielectric의 특성을 알아보았다. PVP/Al₂O₃ dielectric의 surface는 단일 PVP dielectric에 비하여 더 hydrophilic한 surface 특징을 보여주었고 surface energy 또한 더 큰 값을 가졌다. leakage current 측면에서도 PVP/Al₂O₃ dielectric는 organic dielectric에 비해 10³배 정도의 개선을 가져와 TFT device에서 gate insulator로써 적용할 수 있는 가능성을 보여주었다. 실제 제작된 ZnO-TFT에서도 PVP/Al₂O₃ dielectric를 적용한 ZnO-TFT는 PVP만을 gate insulator로 사용한 TFT에 비하여 깨끗한 pinch-off와 excellent saturation의 특성을 보이는 enhanced mode operation을 보여주었고. interface trap state의 밀도 또한 PVP를 사용한 TFT에 비하여 훨씬 낮은 값을 가져 hydrophilic한 surface를 갖는 PVP/Al₂O₃ dielectric에서 ALD ZnO의 증착이 PVP를 substrate로 하였을때 보다 더 uniform 하고 dense하게 되어 channel layer와 dielectric 사이에서의 interface defect이 줄었음을 알 수 있었다. 이로 인해 PVP를 사용하는 ZnO-TFT에서 inorganic material인 Al₂O₃를 buffer로 사용하여 개선된 gate swing과 높은 mobility와 높은 on/off ratio를 얻을 수 있었다.; We compared the characteristics of bottom-gate ZnO-Thin film transistors using Poly-4-vinylphenol (PVP) and PVP/Al₂O₃ dielectrics. The PVP dielectric is more hydrophobic than the PVP/Al₂O₃ dielectric and is not useful in TFT devices because of its high leakage current density, but this leakage current density can be significantly reduced by inserting Al₂O₃. We deposited ZnO and Al₂O₃ films by atomic layer deposition (ALD) because it is a low temperature process. The ZnO-TFTs with either a PVP or a PVP/Al₂O₃ dielectric exhibit typical field-effect transistor characteristics with n-channel properties. The ZnO-TFT containing PVP/Al₂O₃ exhibits clear pinch-off and excellent hard saturation with an enhanced mode operation. The on/off ratio of 7.9×10⁴ for the device containing thehybrid dielectric is about three orders of magnitude higher than the ratio of 4.7×10 for the device containing the PVP. The subthreshold gate swings are 12 V/decade for the TFT containing PVP, and 1.2 V/decade for the TFT containing PVP/Al₂O₃. The density of the interface trap state is significantly lower in the device containing PVP/Al₂O₃ than in the ZnO-TFT containing PVP. The saturation mobility was 0.05 and 0.8 cm²/Vs, respectively, in the TFTs containing PVP and PVP/Al₂O₃.