Improved Performance and Operational Stability of Solution-processed InGaSnO Thin Film Transistors by the Formation of Sn-O Complexes

Abstract

용액 공정 기반 InGaSnO, IGTO 박막은 저렴한 비용과 안정성을 바탕으로 디스플레이에 적용되는 비정질 산화물 반도체 기반 박막 트랜지스터에 적용되기 위해 연구되고 있다. 특히, 용액 공정 기반 IGTO 박막 내의 금속 성분비를 조절하여 In, Ga, Sn이 7:1:1의 비율을 가질 때 2.13 cm2 V-1s-1의 전자이동도와 2.55×107 on/off 전류비의 성능을 나타냈다. 이는 현재 널리 사용되고 있는 InGaZnO, IGZO 박막을 같은 조건에서 공정하여 In, Ga, Zn 비율이 7:1:1로 만들었을 때보다 우수한 성능이다. IGTO 박막 내에서 Sn의 비율이 높아질 경우, IGTO 박막 트랜지스터는 게이트 전압 스트레스에 의한 특성 변화가 줄어들었다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 통해 Sn 함량이 높은 IGTO 박막에서 산소 결함이 효과적으로 억제되는 것이 확인되었고, 이는 Sn-O의 결합 에너지가 높은 것이 원인이며 산소 결함이 주 요인으로 꼽히는 박막 트랜지스터의 작동 안정성을 높이게 한다. 이 연구결과는 디스플레이 저비용 스위칭 소자를 위한 IGTO 반도체 박막의 성능 향상의 기반이 될 것이다.; Solution-processed indium gallium tin oxide (InGaSnO, IGTO) thin film transistors (TFTs) are investigated as promising low-cost and stable materials for high-performance amorphous oxide semiconductor (AOS)-based TFTs in display applications. After tailoring the metal cation composition in IGTO thin films, the IGTO (7:1:1) AOS TFT shows a saturation mobility and current on/off ratio of 2.13 cm2 V-1s-1and 2.55×107, superior to the IGZO TFT. It is found that IGTO TFTs with higher Sn molar ratios became relatively more stable under the gate bias stress due to relatively higher bonding energies of Sn-O complexes. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis also reveals that IGTO thin films with higher Sn composition ratio tend to effectively suppress the formation of oxygen vacancy, which consequently lead to the improved stability of IGTO-based TFTs under the gate bias stress. Therefore, these results can be the basis for improving the characteristics of IGTO semiconducting channel systems for low-cost switching devices in the display applications.