Study on transition metal oxide films for high performance field-effect transistor and electrochromic applications

Abstract

Metal oxides (MOs) are the most abundant materials in the Earth's crust and are ingredients in traditional ceramics. Recently, remarkable advances in MO semiconductors for electronics have been achieved, including the discovery and characterization of new transparent conducting oxides, formulations for printing MO electronics and, most importantly, commercialization of amorphous oxide semiconductors for flat panel displays. They are being widely used as key materials in optoelectronic device applications, including flat-panel display, solar cells, OLED, and emerging flexible and electrochromic. Traditional field effect transistors (FETs) use doped silicon channel with three terminals, where modulation is obtained by biasing the gate and inverting the carrier type to create a conducting channel. The electrochromic film is a mixed conductor, meaning that it is capable of efficiently conducting both ions and electrons. What both applications have in common is the use of electrons as conducting carriers. Therefore, recent developments in devices and materials based on electrochromic devices and metal oxide thin film transistors, are reviewed here. Currently, metal oxide semiconductor-based TFT has developed along with the development of OLED displays, which have become the mainstream of flat panel displays, and have become a key element of display backplane technology. One of the biggest advantages of oxide TFT technology is that it is possible to manufacture a device using a plastic substrate and apply it to a driving device of a flexible display because the formation of a semiconductor thin film is a PVD method that does not require a high temperature. However, the field mobility of oxide TFT, which is currently mass-produced, is 10 cm2/Vs compared to polycrystalline silicon, which limits the realization of high-performance displays. In addition, a device such as a flexible display or a mobile display inevitably needs to develop a technology for reducing power consumption. In general, when a high-k thin film is applied as a gate insulating film to a TFT, it is very effective in reducing gate swing and driving voltage by increasing the charge charging capacity between gate channels. In order to accelerate the application in this field, the development of an oxide semiconductor material having excellent device characteristics even in a low-temperature process and the development of a corresponding low-temperature gate insulating film technology must be paralleled. Therefore, chapter 3 and 4, we discuss physical and chemical approach to reduce the processing temperature for the fabrication of high-performance metal oxide based TFTs. Recently, as the demand for multifunctional optoelectronic devices has greatly increased, efforts to break through the limit of electrochromic technology, which are one of the element technologies for this, are continuing worldwide. Many transition metal oxide films can exhibit electrochromic (EC) effects because they change optical transmittance upon charge insertion or extraction. Electrochromic device-related technology has attracted worldwide attention with its unique function of changing optical properties since it was first reported in the 1950s. In Chapter 5, an experiment was conducted to improve the overall performance of the electrochromic device through two methods to improve the performance of the transparent conductive layer and the electrochromic layer. |금속 산화물(MO)은 지각에서 가장 풍부한 물질이며 전통적인 세라믹 구성 요소이다. 최근 새로운 투명 전도성 산화물의 발견 및 특성화, 금속산화물 전자 인쇄용 제형, 그리고 가장 중요한 것은 평판 디스플레이용 비정질 산화물 반도체의 상업화를 포함하여 전자용 금속산화물 반도체의 놀라운 발전이 이루어졌다. 그들은 평판 디스플레이, 태양 전지, OLED 및 신흥 유연 및 전기 변색을 포함한 광전자 장치 응용 분야의 핵심 재료로 널리 사용되고 있다. 기존의 전계 효과 트랜지스터(FET)는 3개의 단자가 있는 도핑된 실리콘 채널을 사용한다. 여기서 변조는 게이트를 바이어싱하고 캐리어 유형을 반전하여 전도 채널을 생성함으로써 얻어진다. 전기 변색 필름은 이온과 전자를 모두 효율적으로 전도할 수 있는 혼합 전도체이다. 두 응용소자의 공통점은 전자를 전도 캐리어로 사용한다는 것이다. 따라서 본 연구에서는 전기 변색 소자 및 금속 산화물 박막 트랜지스터를 기반으로 한 소자 및 재료의 최근 발전에 대해 살펴본다. 현재 금속 산화물 반도체 기반의 TFT는 OLED 디스플레이의 발전과 함께 발전하여 평판 디스플레이의 주류가 되었으며 디스플레이 백플레인 기술의 핵심 요소가 되었다. Oxide TFT 기술의 가장 큰 장점 중 하나는 반도체 박막의 형성이 높은 온도가 필요한 별도의 PVD 공정을 필요로 하지 않기 때문에 플라스틱 기판을 이용하여 소자를 제작하여 플렉서블 디스플레이의 구동소자에 적용할 수 있다는 점이다. 그러나 현재 양산되고 있는 Oxide TFT의 Field Mobility는 다결정 실리콘에 비해 10 cm2/Vs로 고성능 디스플레이 구현에 한계가 있다. 또한, 플렉서블 디스플레이나 모바일 디스플레이와 같은 디바이스는 필연적으로 전력 소모를 줄이기 위한 기술의 개발이 필요하다. 일반적으로 고유전율 박막을 TFT에 게이트 절연막으로 적용하면 게이트 채널 간의 전하 충전 용량을 높여 게이트 스윙 및 구동 전압을 줄이는 데 매우 효과적이다. 이 분야의 응용에 박차를 가하기 위해서는 저온 공정에서도 소자 특성이 우수한 산화물 반도체 재료의 개발과 이에 상응하는 저온 게이트 절연막 기술의 개발이 병행되어야 한다. 따라서 3장과 4장에서는 고성능 금속 산화물 기반 TFT 제조를 위한 공정 온도를 낮추기 위한 물리적 및 화학적 접근 방식에 대해 논의한다. 최근 다기능 광전자소자에 대한 수요가 크게 증가함에 따라 이를 위한 소자 기술 중 하나인 전기변색 기술의 한계를 돌파하려는 노력이 전 세계적으로 계속되고 있다. 많은 전이 금속 산화물 필름은 전하 삽입 또는 추출 시 광 투과율을 변경하기 때문에 전기 변색(EC) 효과를 나타낼 수 있다. 일렉트로크로믹 소자 관련 기술은 1950년대에 처음 보고된 이후 광학적 특성을 변화시키는 독특한 기능으로 전 세계적으로 주목받고 있다. 5장에서는 투명전도층과 전기변색층의 성능을 향상시키기 위한 두 가지 방법을 통해 전기변색 소자의 전반적인 성능을 향상시키기 위한 실험을 수행하였다.