베리어 구조의 이중채널을 이용한 고이동도 산화물 박막 트랜지스터의 전기적 특성 연구

Abstract

Recently, amorphous oxide semiconductors have attracted much attention for next-generation display switching devices. Among them, amorphous indium-gallium-zinc-oxide(a-IGZO) thin-film transistors(TFTs) have proven to be highly promising due to their excellent electrical characteristics, such as low off-state currents and good uniformity. However, field-effect mobility of a-IGZO thin film transistors needs to be improved compared to conventional silicon (Si)-based thin film transistors.

Various studies are being conducted to increase the field-effect mobility of a-IGZO TFTs. Crystallization or plasma treatment for a-IGZO can be the methods to improve the field-effect mobility of TFTs but there are disadvantages in terms of cost and the level of mobility improvement is insignificant.

Other way to improve the field-effect mobility of transistors is to use dual active channel layer. Dual active channel consists of two other amorphous oxide semiconductors. Front channel layer attached to gate insulator provides high electron concentration and back channel layer far from gate insulator guarantees low leakage current. This may improve the mobility of transistors while taking low leakage current characteristics of the oxide semiconductor. In this study, dual active channel thin film transistor was fabricated by bonding InSnO (Indium tinoxide, ITO) thin film with high electron concentration and a-IGZO thin film with low leakage current characteristics. Electron well with high electron concentration was generated at the interface between ITO and IGZO and it significantly improved the field effect mobility of the transistors to 90 cm2/V·s while maintaining low off-state leakage current. However, existence of electron well even at low gate voltage bias served as cause for lowering the threshold voltage.

Dual active channel thin film transistors with a barrier structure was manufactured to solve this problem. As a result, dual active channel TFTs with barrier structure showed high field effect mobility of 104.8 cm2/V·s while maintaining low off-state leakage current and the threshold voltage was not lowered. It is expected that if the thickness and barrier length of ITO are optimized through future research, TFTs with higher mobility and excellent electrical characteristics can be implemented.|비정질 산화물 반도체는 차세대 디스플레이 스위칭 소자로 주목받는 소재이다. 대표적인 비정질 산화물 반도체인 amorphous In-Ga-Zn-Oxide(a-IGZO)는 낮은 누설 전류 특성과 우수한 광학적 특성을 바탕으로 활발한 연구 개발이 진행되고 있다. a-IGZO를 박막 트랜지스터(Thin-Film Transistor, TFT)의 채널층으로 적용함으로써 낮은 대기 전력과 우수한 균일성을 갖는 디스플레이 소자를 구현할 수 있다. 그러나 a-IGZO 박막 트랜지스터는 기존의 실리콘(Si) 기반 박막 트랜지스터와 비교하여 이동도가 개선될 필요가 있다. a-IGZO의 결정화, 또는 a-IGZO에 대한 플라즈마 처리 등으로 이동도를 향상시킬 수 있지만, 이는 비용적 측면에서 불리하며 이동도 향상 수준이 미미하다.

이중 채널 산화물 반도체 박막 트랜지스터는 높은 전자 농도를 제공하는 전면 채널층과 낮은 누설 전류를 보장하는 후면 채널층을 접합한 이중 채널로 구성된다. 이는 산화물 반도체의 낮은 누설 전류 특성을 가져가면서 이동도를 크게 향상시키는 열쇠가 될 수 있다. 본 연구에서는 높은 전자 농도를 갖는 InSnO(Indium tin oxide, ITO) 박막과 낮은 누설 전류 특성을 보이는 a-IGZO 박막을 접합하여 이중 채널 박막 트랜지스터를 제작하였다. ITO와 IGZO의 접합 계면에서 생성된 높은 캐리어 농도의 전자 우물은 전계 효과 이동도를 크게 향상시켰지만 문턱 전압을 낮추는 원인으로 작용하였다.

이를 해결하고자 베리어 구조가 적용된 이중 채널 박막 트랜지스터를 제작하여 약 104.8 cm2/V․s의 높은 전계 효과 이동도를 가지면서 문턱 전압이 낮아지지 않은 소자를 확보할 수 있었다. 추후 연구를 통해 ITO의 두께와 베리어 길이를 최적화시킨다면 더욱 높은 이동도와 우수한 동작 특성을 갖는 TFT를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.