The degradation and recovery mechanism analysis of the electrical performance in flexible a-IGZO TFT under various rolling stress with TCAD simulation

Abstract

With the advent of flexible display devices, the need for research on the stability of thin-film transistors (TFTs), one of the main components used for displays, is being emphasized. In particular, there is an increasing need for stability studies on mechanical stress of oxide TFTs, which are expected to replace Si-based TFTs in the future, but studies on degradation and recovery due to mechanical stress of oxide TFTs are still lacking. Therefore, in this study, the degradation of a-IGZO TFT, which is one of oxide TFTs under various rolling stresses, and recovery at 150°C and 250°C were analyzed with TCAD simulation.

We observed that the electrical properties of a-IGZO TFTs deteriorated by repeatedly applying various rolling stresses of 1.5, 2, and 4 mm of rolling radius, and we tracked electrical characteristics under repetitive rolling stress up to 40,000 cycles. Our results show that there was no significant change in threshold voltage(Vth) but an increase in a subthreshold swing (SS) during applying repetitive rolling stress. Therefore, we used TCAD simulation to estimate the cause of the electrical property change caused by rolling stress. Our simulation results showed that donor-like states in Gaussian distribution (NGD) and acceptor-like states in Gaussian distribution (NGA) increase in the a-IGZO layer, these defects specified are related to oxygen-related defects, such as oxygen vacancy and oxygen interstitial in literature. Therefore, we thought that oxygen-related defects in the a-IGZO layer could be increased by rolling stress.

We observed a-IGZO TFTs recovery at various temperatures by thermal treatment at 150 °C and 250 °C, respectively. In both cases, however, a full recovery did not occur before the rolling state. Our simulation results show asymmetric recovery of NGD and NGA. NGD recovers well by thermal treatment, but NGA shows incomplete recovery. Therefore, one of the reasons for this incomplete recovery of a-IGZO TFTs is the incomplete recovery of acceptor-like defects in the a-IGZO layer by thermal treatment.

|플렉서블 디스플레이가 출시되기 시작하면서, 디스플레이의 주요한 부분 중 하나인 박막 트랜지스터의 안정성에 대한 연구의 필요성이 증가했다. 특히 미래에 실리콘 기반 박막 트랜지스터를 대체할 것으로 예상되는 산화물 박막 트랜지스터의 기계적 스트레스에 대한 안정성에 대한 연구에 대한 필요가 증가했다. 그러나 아직 산화물 박막 트랜지스터의 기계적 스트레스에 대한 열화 및 회복에 관한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구는 산화물 박막 트랜지스터 중 비정질 In-Ga-ZnO(a-IGZO) 박막트랜지스터에 다양한 롤링 스트레스를 반복적으로 가해줌으로써 발생하는 전기적 특성의 열화와 다양한 온도에서의 전기적 특성의 회복을 관찰하였으며, 위의 현상을 technology computer-aided design(TCAD) 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다.

우리는 1.5, 2 그리고 4mm의 반경으로 반복적인 롤링 스트레스를 40,000회까지 가하며 전기적 특성을 추적한 결과 문턱 전압(threshold voltage)의 경우 큰 변화가 없었지만, subthreshold swing(SS) 등에서는 유의미한 변화를 보였다. 따라서 이러한 열화의 원인을 분석하기 위해 TCAD 시뮬레이션을 이용하였다. 시뮬레이션 결과는 롤링스트레스에 의해서 donor-like defect(NGD) 와 acceptor-like defect(NGA)이 모두 증가하는 것을 보여주었다. 문헌에서 이는 산소 관련 결함인 oxygen vacancy와 oxygen interstitial과 관련이 있음을 말하고 있다. 따라서 롤링 스트레스에 의해 a-IGZO 내부의 결함이 증가하며, 이는 산소 관련 결함 임을 추측할 수 있다.

또한 우리는 열처리(thermal treatment)를 이용하여 롤링 스트레스에 의해 열화된 소자의 회복을 관찰하였다. 열처리 온도는 각 150°C와 250°C로 진행되었으나, 두 열처리 조건에서 열화된 전기적 특성의 부분적 회복 만을 관찰 할 수 있었다. TCAD 시뮬레이션 결과 NGD는 열처리에 의한 감소가 유의미한 반면, NGA의 경우는 감소폭 상대적으로 적어 열처리에 의한 회복 효과가 적었다. 이는 롤링 스트레스에 의해 발생한 산소 관련 결함 중 하나인 Oi2- 상태는 donor-like defect으로 결정질 ZnO의 경우 167°C에서 움직임을 가지기 용이한 것으로 보고 되었고, 우리는 위에서 발생한 열처리에 의한 회복 효과는 이러한 Oi2- 결함이 oxygen vacancy site로 이동이 발생함으로 생기는 결과로 추측하였다. 하지만 또 다른 산소 관련 결함의 형태인 O-O dimer 형태는 acceptor-like defect으로 산소 간의 강한 결합으로 인해 열처리 온도 내에서 움직임을 가지기 어려우며 열처리 조건에서의 회복이 어렵다. 따라서 우리는 위의 TCAD 시뮬레이션 결과를 바탕으로 a-IGZO TFT의 전기적 특성의 불완전한 회복의 원인 중 하나로 O-O dimer을 제시하였다.; With the advent of flexible display devices, the need for research on the stability of thin-film transistors (TFTs), one of the main components used for displays, is being emphasized. In particular, there is an increasing need for stability studies on mechanical stress of oxide TFTs, which are expected to replace Si-based TFTs in the future, but studies on degradation and recovery due to mechanical stress of oxide TFTs are still lacking. Therefore, in this study, the degradation of a-IGZO TFT, which is one of oxide TFTs under various rolling stresses, and recovery at 150°C and 250°C were analyzed with TCAD simulation.

We observed that the electrical properties of a-IGZO TFTs deteriorated by repeatedly applying various rolling stresses of 1.5, 2, and 4 mm of rolling radius, and we tracked electrical characteristics under repetitive rolling stress up to 40,000 cycles. Our results show that there was no significant change in threshold voltage(Vth) but an increase in a subthreshold swing (SS) during applying repetitive rolling stress. Therefore, we used TCAD simulation to estimate the cause of the electrical property change caused by rolling stress. Our simulation results showed that donor-like states in Gaussian distribution (NGD) and acceptor-like states in Gaussian distribution (NGA) increase in the a-IGZO layer, these defects specified are related to oxygen-related defects, such as oxygen vacancy and oxygen interstitial in literature. Therefore, we thought that oxygen-related defects in the a-IGZO layer could be increased by rolling stress.

We observed a-IGZO TFTs recovery at various temperatures by thermal treatment at 150 °C and 250 °C, respectively. In both cases, however, a full recovery did not occur before the rolling state. Our simulation results show asymmetric recovery of NGD and NGA. NGD recovers well by thermal treatment, but NGA shows incomplete recovery. Therefore, one of the reasons for this incomplete recovery of a-IGZO TFTs is the incomplete recovery of acceptor-like defects in the a-IGZO layer by thermal treatment.