Ultra-Low Off-State Current of a-IGZO TFT Measurement Circuit and Analysis of Von Mises Stress inside Flexible Devices

Abstract

The mobility of amorphous indium gallium zinc oxide thin-film transistor (a-IGZO TFT) is more than 10 times higher than a-Si TFT, which has been extensively used as a display backplane device. In addition, it has the advantages of a-Si TFT such as good uniformity and low temperature process. Therefore, a-IGZO TFT has been widely used as a display backplane device since it was first announced in 2004. And a-IGZO TFT can be fabricated on a flexible substrate, and since a-IGZO TFT has recently been found that the off-state current is very low, it is expected to be widely used in the next generation displays, memories, and large scale integration (LSI) applications. In order to utilize the advantages of a-IGZO TFT, it is necessary to analyze the off-state current variation by device and voltage applied to TFT. For this, a circuit design for measuring off-state current of a-IGZO TFT should be carried out. And a study on the von-Mises stress change inside the flexible IGZO TFT according to various parameters should be done. Therefore, in this thesis, circuit design for ultra-low off-state current measurement of a-IGZO TFT and change of von-Mises stress inside flexible IGZO TFT according to various parameters change were explained. First, the a-IGZO TFT model required for circuit design and simulation for ultra-low off-state current measurement of a-IGZO TFT was presented. In addition, using this model, two ultra-low off-state current measurement circuits which have various channel widths and lengths were designed, and the design feasibility was also verified. Second, in order to reduce the von-Mises stress inside the flexible device, the thickness of the substrate should be reduced and the Young’s modulus of materials excluding the substrate should be increased. In this case there is a common feature that the distance between the neutral plane and the device in the bending state is decreased. Therefore, in order to improve the mechanical reliability of the flexible device, the device design should proceed in a direction to reduce the distance between the neutral plane and the device. In addition, flexible IGZO TFT should be designed so that stress concentration point does not occur. |비정질 인듐 갈륨 아연 산화물 박막 트랜지스터(a-IGZO TFT)는 기존에 디스플레이 backplane 소자로 광범위하게 이용된 a-Si TFT에 비해 전자 이동도가 10배 이상 높다. 또한 소자 특성 균일성, 저온 공정 등 a-Si TFT의 장점을 그대로 가지고 있다. 따라서 a-IGZO TFT는 2004년에 처음 발표된 이후로 디스플레이 backplane 소자로서 널리 사용되고 있다. 그리고 a-IGZO TFT는 플렉서블 기판 위에 제작될 수 있고, 최근에 오프 상태 전류가 매우 낮다는 것이 밝혀졌기 때문에 차세대 디스플레이 및 메모리, LSI 제작에 광범위하게 이용될 것으로 예상된다. 이러한 a-IGZO TFT의 장점을 충분히 활용하기 위해서는 먼저, 소자 및 전압 조건별 오프 상태 전류 변화를 분석해야 하며, 이를 위해 a-IGZO TFT 오프 상태 전류 측정을 위한 회로설계를 진행하여야 한다. 그리고 여러 가지 파라미터에 따른 플렉서블 IGZO TFT 내부의 본 미제스 응력 변화에 대한 연구가 이루어져야 한다. 따라서 이 논문에서 a-IGZO TFT의 초저 오프 상태 전류 측정을 위한 회로설계와 여러 가지 파라미터 변화에 따른 플렉서블 IGZO TFT 내부 본 미제스 응력의 변화에 대해서 다루었다. 먼저, a-IGZO TFT의 초저 오프 상태 전류 측정용 회로설계 및 시뮬레이션에 필요한 a-IGZO TFT 모델을 제시하였고 이를 이용하여 채널 폭 및 길이별로 스플릿을 가지는 두 가지의 초저 오프 상태 전류 측정용 회로를 설계하였고, 설계의 타당성을 입증하였다. 그리고, 플렉서블 소자 내부의 본 미제스 응력을 줄이기 위해서는 기판의 두께를 줄이고 기판을 제외한 물질의 Young’s modulus를 크게 해야 한다. 그런데, 이 때 굽힘 상태에서의 중립면과 소자 사이의 거리가 짧아진다는 공통점이 있다. 따라서 플렉서블 소자의 기계적 신뢰성을 향상시키기 위해서는 중립면과 소자 사이의 거리를 줄이는 방향으로 소자 설계를 진행하여야 한다. 또한 응력집중점이 생기지 않도록 설계하여야 한다.