차세대 디스플레이 기술을 위한 안정적인 고이동성 트랜지스터 제조

비정질 산화물 반도체 기반 박막 트랜지스터(TFT)의 캐리어 이동도와 안정성 사이의 균형이 마침내 도쿄 공과 대학(Tokyo Tech)의 연구원들에 의해 제작된 인듐 주석 아연 산화물 TFT에서 극복되었습니다. 이것은 현재의 실리콘 기반 기술보다 저렴한 디스플레이 기술의 설계를 위한 길을 열 수 있습니다.

비정질 산화물 반도체(AOS)는 저렴한 비용과 높은 전자(전하 캐리어) 이동도로 인해 차세대 디스플레이 기술에 대한 유망한 옵션입니다. 특히 높은 이동성은 고속 이미지에 필수적입니다. 그러나 AOS에는 이동성/안정성 트레이드오프라는 상업화를 방해하는 뚜렷한 단점도 있습니다.

TFT의 안정성에 대한 핵심 테스트 중 하나는 "NBTS(네거티브 바이어스 온도 스트레스)" 안정성 테스트입니다. 관심 있는 두 개의 AOS TFT는 인듐 갈륨 아연 산화물(IGZO)과 인듐 주석 아연 산화물(ITZO)입니다. IGZO TFT는 NBTS 안정성이 높지만 이동성이 좋지 않은 반면 ITZO TFT는 반대 특성을 가지고 있습니다. 이러한 절충안의 존재는 잘 알려져 있지만, 지금까지 왜 그것이 발생하는지 이해하지 못했습니다.

Nature Electronics에 게재된 최근 연구에서 , 일본 과학자 팀이 이제 이 절충안의 해결책을 보고했습니다. "우리 연구에서는 '전하 트래핑'을 사용하여 일반적으로 설명되는 NBTS 안정성에 중점을 두었습니다. 이것은 기저 기판으로 축적된 전하의 손실을 설명합니다. 그러나 이것이 우리가 IGZO와 ITZO TFT 사이에서 볼 수 있는 차이점을 설명할 수 있는지 의심스러웠기 때문에 대신 우리는 캐리어 밀도의 변화 또는 페르미 레벨 이동의 가능성에 초점을 맞추었습니다. AOS 자체입니다.”라고 Tokyo Tech의 김정환 조교수는 말했습니다.

NBTS 안정성을 조사하기 위해 연구팀은 NBTS-안정 AOS(IGZO) 층과 NBTS-불안정 AOS(ITZO) 층으로 구성된 "이중층 활성 채널 구조를 갖는 바텀 게이트 TFT"를 사용했다. 그런 다음 그들은 TFT를 특성화하고 전하 트래핑 및 페르미 레벨 이동 모델을 사용하여 수행된 장치 시뮬레이션과 결과를 비교했습니다.

그들은 실험 데이터가 페르미 레벨 이동 모델과 일치한다는 것을 발견했습니다. 김 교수는 "이 정보를 얻은 후 다음 질문은 'AOS에서 이동성을 제어하는 ​​주요 요소는 무엇인가?'였습니다."라고 말했습니다.

AOS TFT의 제조는 특히 ITZO의 경우 TFT에 일산화탄소(CO)를 포함한 불순물을 도입합니다. 팀은 AOS와 의도하지 않은 불순물 사이에서 전하 이동이 발생하고 있음을 발견했습니다. 이 경우 CO 불순물이 TFT의 활성층에 전자를 제공하여 페르미 레벨 이동과 NBTS 불안정을 야기했습니다. Kim은 "이 CO 기반 전자 공여의 메커니즘은 전도대의 최소 위치에 따라 달라지기 때문에 ITZO와 같은 이동도가 높은 TFT에서는 볼 수 있지만 IGZO에서는 볼 수 없습니다"라고 말했습니다.

이러한 지식을 바탕으로 연구원들은 TFT를 400°C에서 처리하여 CO 불순물이 없는 ITZO TFT를 개발했으며 NBTS가 안정적이라는 것을 발견했습니다. "초고화상 기술에는 전자 이동도가 40cm ² 이상인 TFT가 필요합니다. (대) ^-1 . CO 불순물을 제거하여 이동도가 70cm ² 인 ITZO TFT를 제작할 수 있었습니다. (대) ^-1 "라고 김씨는 말했다.

그러나 CO 불순물만으로는 불안정성을 일으키지 않습니다. Kim에 따르면 "AOS로 전하 이동을 유도하는 불순물은 게이트 바이어스 불안정성을 유발할 수 있습니다. 높은 이동도 산화물 TFT를 달성하려면 불순물의 가능한 모든 출처를 명확히 하기 위해 산업적 측면의 기여가 필요합니다."

이러한 결과는 칩 입/출력 장치, 이미지 센서 및 전원 시스템뿐만 아니라 디스플레이 기술에 사용하기 위한 다른 유사한 AOS TFT의 제조를 위한 길을 열 수 있습니다.