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아인 장곡
5 years ago
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1 제 3 장 TFT (Thin Film Transistor) 1

2 TFT Performance and Image quality 1) On current Speed, uniformity, brightness 2) Off current (Photo-leakage current) Image storage, flicker 3) Gate-drain (Source-drain) Capacitance Flicker, residual image 4) V th Uniformity 5) Stability 2

3 Transistor Three-Terminal Device for Switching / Amplifying Gate Base (Voltage) (Current) Source Emitter Current Drain Collector 1. Bipolar Junction Transistor : Base Current 2. Field Effect Transistor : Gate Voltage 3

4 TFT (Thin Film Transistor) A Field Effect Transistor made of Non-Single Crystal Semiconductor deposited on Insulating Substrate 4

5 MOSFET vs.tft First Transistor 5

6 6

7 MOS or MIS structure MOSFET Si bulk Doped bulk Inversion S/D: pn jnuction TFT Si Thin Film Intrinsin layer Accumulation S/D: no junction TFT MOSFET 7

8 MOS Capacitor 8

9 9

10 Metal-Insulator-(p-type) semiconductor Accumulation Depletion Inversion 10

11 V G = 0 V G < V T V G > V T E C E C E C E F E F E F E V E V E V Band bending profiles n DEEP > n BT n DEEP < n BT E C E C E C E F E F E F Occupancy of states 11

12 12

13 MOSFET 13

14 비정질실리콘박막트랜지스터의동작원리 절연체 a-si:h E C +Q -Q V(x) E F E V Q=CV d x s = s 0 exp[ - ( E C - E F )/KT ] G= G 0 exp( -E s /KT ) n + ohmic t S a-si:h insulator D Q V g Gate 14

15 TFT 동작특성 15

16 16

17 비정질실리콘박막트랜지스터의동작특성 1. Transfer characteristics I d - V g 특성 2. Output characteristics I d - V d 특성 3. Field effect mobility characteristics Linear region Saturation region 17

18 18

19 전류밀도 J n J n I n q nne Dn A J n : The current density I n : The current q : A electronic charge n : The electron mobility n : The electron concentration E : The electric field D n : The diffusion constant dn dx Majority carrier n 에의한채널전류 Q I I D W C i V n G Q I E V y th V I D : The drain current V G : The gate voltage C i : The gate insulator capacitance W : The TFT channel width V th : The threshold voltage I D dy W C n i V G V th V dv y=0 에서 L 까지, V= 0 에서 V D 까지적분 I D W Ci n L V V V V G th D D 19

20 비정질실리콘박막트랜지스터의이동도측정회로 선형영역 V G G D S I DS V D V D < 1V I DS C i W L 포화영역 W I DS Ci 2L V G V th V D V V 2 G th I DS : The drain current V D : The drain voltage C i : The gate insulator capacitance : The field effect mobility W : The TFT channel width L : The TFT channel length V G : The gate voltage V th : The threshold voltage 20

21 21

22 22

23 실리콘박막트랜지스터의구조 s s Glass Staggered Glass Inverted Staggered s Glass Coplanar Glass Inverted Coplanar Electrode Semiconductor Ohmic layer s Insulator 23

24 Back Channel Etched Structure Etch Stopper Structure 24

25 박막트랜지스터특성에영향을주는요소 25

26 26

27 27

28 Equivalent circuit of a-si:h TFT + V GS V GS G S - I D r S V DS r D D V DS V GS =V GS + I D r S V DS =V DS + I D (r S +r D ) 28

29 Source Cds Drain Source Drain a-si TFT channel n + Rss Rgs I d Rgd Rsd Gate insulator Gate Cgsi Cgdi Cgso Gate insulator Cgdo Gate a-si:h TFT equivalent circuit 29

30 그림 3.9 게이트와드레인전압을함수로하는 BCE 형 a-si:h TFT 의기생 capacitance. 30

31 그림 3.10 드레인전압을함수로하는기생 capacitance. 음의드레인전압은교환된소스 / 드레인전극에해당한다. 31

32 그림 3.11 기생 capacitance 대주파수. 게이트전압에대한 capacitance 의의존성은주파수가증가함에따라서작아진다. TFT 는그림 3.10 과동일하다. 32

33 Device simulation SILVACO 사의 ATLAS Finite element 방법을사용 TFT내의 carrier concentration, potential distribution, field profile, current flow, I- V characteristics, C-V characteristics 등을 simulation 2.5 m 16 m 2.5 m Air 0.02 m SiNx ( =6.5) a-si n+ n+ Glass( =5.84) Air 0.35 m 0.1 m 700 m Coplanar 구조 TFT Coplanar TFT 의 potential 분포 33

34 Self-aligned TFT 의구조 Need of self-aligned TFT G/S overlap distance : pattern misalignment Feedthrough voltage shift High aperture ratio Reduce the number of photo-masks Methods to fabricate self-aligned TFT Lift-off Backlight exposure Ion-shower doping Silicide formation Laser-annealed n + poly-si layer High-quality n + mc-si 34

35 Back-side exposure 를이용한준자기정렬방식비정질실리콘박막트랜지스터의단면도 35

36 Ion doping 및실리사이드를이용한완전자기정렬방식비정질실리콘박막트랜지스터의단면도 36

37 S a-si Poly-Si D SOG Gate Glass Laser annealed n + poly-si 을이용한완전자기정렬방식비정질실리콘박막트랜지스터의단면도 37

38 TFT 특성향상 a-si:h/sin x 계면의플라즈마처리효과 Plasma Treatment Smooth interface Etching away weak bonds He, H 2, NH 3 and N 2 plasma treatment a-si:h High photo conductivity Low defect states S D GATE GLASS SiN x Low leakage current High field strength n + a-si:h Ohmic contact Hole blocking 38

39 저온 TFT 기술 Plastic Substrates for LCDs The advantage of plastic LCDs Light weight Flexible Robustness Compactness Cost reduction by roll-to roll processing Unbreakable Deposition & processings Maximum temp. 100 ~ 200 O C Coefficient of thermal expansion Buffer layer SiNx, SiO 2, resin coating Protect thermal diffusion Balance thermal stress Protect scratch, vapor absorption Plastic substrates Thermal properties Optical properties Environmental resistance Surface morphology 39

40 그림 3.8 a-si:h TFT 의 electron drift mobility 와문턱전압의온도의존성. 40

41 그림 3.14 게이트에인가된양또는음의 stress 전압에따른 a- Si:H TFT의전달특성이동. 문턱전압이동과함께일반적으로 drift mobility 감소가관찰된다. 41

42 그림 3.15 게이트에인가된 stress 전압에대한문턱전압이동의존성. 음의전압 stress 인경우더강한의존성이관찰된다. 42

43 그림 3.16 stress 시간의함수로써문턱전압이동. 의존은양과음의전압 stress 모두에대해거의동일하다. Vg=20V 에대해 Vt t 0.33, Vg=-10V 에대해 Vg t

44 그림 3.17 a-si:h TFT 의문턱전압이동. 조명은직접적으로 Vt 이동을유발하지는않는다. 그러나, 게이트바이어스의적용은이동을증가시킨다. TFT 는 1,000lx 로조명, Vg=-30V, Vd=Vs=0 이다. 44

45 그림 3.19 작동시간의함수로써 a-si:h TFT의문턱전압. 게이트는 20V의 pulsed 바이어스를보상하기위해 -20V로바이어스된다. pulse폭과반복기간은각각 33μs와 16.6ms로고정하였다. 45

46 그림 3.20 펄스전압의주파수함수로써문턱전압이동. 46

47 Amorphous Silicon Structure : Excellent Short-Range Atomic Order No Long-Range Order With Defects and Impurities Gap States : Band Tail States Deep Defect States (Dangling-Bond) 47

48 Amorphous Silicon 의 Advantages 및 Problems Advantages - Deposition: Over large-area On almost any kind of substrate At below High resistivity (Low off-current) - Excellent Photconductivity Problems - Low carrier mobility - Instability (Vth shift) - Uniform array on large area - Insensitiveness of Radiation Damage Hydrogenated amorphous silicon (a-si:h) Hydrogen content : 10 ~ 30 at.%, TFT-LCD 에 95 % 이상채용 PECVD 방법으로증착 SiH 4 plasma 고체인 a-si:h 증착, 기판온도 : 300 정도 48

49 Amorphous Silicon (a-si) Hydrogenated Amorphous Silicon (a-si:h) 49

50 수소화된비정질실리콘 Hydrogenated amorphous silicon a-si:h Hydrogen content : 10 ~ 30 at.% TFT-LCD에 95 % 이상채용플라즈마화학기상증착 (PECVD:Plasma Chemical Vapor Deposition) 방법으로증착 SiH 4 plasma 고체인 a-si:h 증착 기판온도 : 300 o C 정도 50

51 비정질실리콘의구조적특성 다이아몬드구조의결정질실리콘 결정질실리콘과비정질실리콘의원자결합과에너지밴드 51

52 비정질실리콘의구조적특성 장거리질서가없다. 대부분결합수가 4 이다 ( 수소본딩은예외 ). Rigid 구조를갖는다. Bond length : 2.35 Å (5 %); Bond angle : o (10 %) Short range order 수소화된비정질실리콘및실리콘질화막증착 PECVD 최적증착조건 <350C 기판온도 /RF 전력 / 이온손상 Cluster tool 장비 SiH 3 precursor SiN x 도같은 chamber 에서 (SiH 4 + NH 3 ) plasma n + a-si:h 증착 52

53 그림 4.1 공유결합원소의전자배치. 일반적인배치는 s 궤도가먼저두개의전자에의하여채워지고 p 궤도가채워지는것이다. 그러나, 공유결합에서는혼성계가보다낮은에너지를갖고있고결과적으로혼성화된 sp 궤도들이나타난다. 53

54 그림 4.2 두개의비정질반도체의결합배치. 실리콘과셀레니윰. 왼쪽에서오른쪽으로원자상태, 분자상태, 그리고고체에서의준위가넓어져 band 를형성하는것을보여주고있다. 54

55 Atom Molecule Solid P S SP 3 Antibonding (Conduction band) E F Bonding (Valence band) 실리콘원자및결정질실리콘의전자결합 55

56 그림 4.3 a-si:h 의 radial 분포함수. 단거리규칙성이최인접원자위치에서나타남이보여지고있으며이것은거의결정질과동일하다. 반면에장거리규칙성은거의사라진다. 56

57 비정질실리콘의상태밀도 Band : Extended states Gap : Localized states Localization, Surface states 수소화된비정질실리콘의상태밀도 수소화 - Gap states 감소 주요결함 (Defect) : Dangling bond D o, Sp 3 : Disorder : Band tail states Bond angle, Bond length 57

58 그림 4.4 n형 a-si:h의준위밀도및전자분포의도식도. a-si:h의 mobility gap은 1.9eV이고 optical band gap은약 1.7eV이다. 58

59 도핑된수소화된비정질실리콘에서의 ESR 특성 state g-value Hpp(0)/G U/eV (Υ/eV -1 )/ESR a-si:h Conduction band tail Dangling band Valence band tail

60 그림 4.5 비정질반도체의이동도모서리의개념을나타내는그림. 임계에너지 Ec 에서는이동도가 0 부터일정한값까지증가한다. 60

61 그림 4.6 a-si:h gap 내에서의상태밀도. 시편은 silane중에서의 phosphine 부피밀도가 300vppm로 doped된것 #1과#3(10 mol % silane in Ar) 이고 60vppm으로 doped된것이 #2(45 mol% silane in Ar) 이다. 각각의박막의 bulk Fermi level은화살표로나타나있다. 에너지 level들은전도대모서리 Ec에수직이다. 61

62 그림 4.7 doping 된것과 doping 되지않은 a-si:h 시편에대한활성화에너지와전도도상수 σ0 사이의관계.15 Meyer-Neldel의법칙을거의따른다. 활성화에너지는 doping되지않은재료의 1eV로부터 n형으로 doped 된시편의 0.1eV까지변화한다. 62

63 그림 4.8 (a) 상온전도도와 (b) 불순물첨가 vs a-si:h의활성화에너지1. doping된양은 silane 에대한 phosphine 또는 diborane 비, NPH3,(NB2H6)/NSiH4, 로주어진다. 여기서 N은혼합기체내의단위부피당분자수를나타낸다. 63

64 그림 4.9 고저항재료에대한드리프트이동도측정을위한비행시간측정 (time of flight) 장치의개략도. 64

65 수소화된비정질실리콘의광학적특성 비정질실리콘에서광흡수계수의측정방법 1. 흡수계수가 10-3 cm -1 보다큰경우 : 광투과도 2. 흡수계수가 10-3 cm -1 보다작은경우 : Primary and secondary photoconductivity Photoacoustic spectroscopy Photothermal deflection spectroscopy Constant photocurrent method (CPM) 65

66 그림 4.10 비행시간실험의 (a) 전자와 (b) 홀드리프트이동도그래프. 실선은이론적인그림으로지수밴드꼬리를가진 Multiple Trapping Transport Mechanism 을나타내고있다. 전도대와가전자대의캐리어의이동도는각각 13cm 2 /Vs( 전자 ), 0.5cm 2 /Vs( 정공 ) 이다. 66

67 그림 4.11 Traveling wave 실험의단면도. α-si:h 막은 LiNbO 3 기판으로부터약 1μm 미만정도위에위치해있다. 그간격은헬륨가스로채워져있다. 67

68 그림 4.12 비정질반도체의흡수가장자리의세영역. 영역 A 는 Tauc 가장자리에해당한다. 이영역에서 α 1/2 대에너지의외삽으로비정질재료의광학적인간격을얻을수있다. 영역 B 의지수꼬리는 Urbach 가장자리로불려진다. 영역 C 는약한흡수꼬리이다.. 68

69 그림 3.13 TFT(BCE) 의 photo-current 대 a-si:h 층의두께. 5,000lx의조명은일반적으로밑으로부터의직접적인 backlight 조명에해당한다. 69

70 그림 4.13 α-si:h의 Tauc 그림. 외삽된 ( 광학적 ) 밴드갭은 1.7 ev. 70

71 그림 4.14 Urbach 영역에서 α-si:h 의흡수가장자리. 더높은 Tauc 간격를가지는막은낮은간격을가지는막의 200 에비해 250 의기판온도에서성장시켰다. 수소양은각각높은막과낮은막에대해 14at.% 와 19at.% 이다. 71

72 비정질실리콘의밴드갭 Mobility gap : E c - E v 실험적으로결정하기매우어려움 광학적밴드갭 Tauc s gap : Optical band gap 절편 : 기울기 : B 수소화된비정질실리콘에서적외선흡수 Vibrational absorption Si-H n Si-H, SiH 2, SiH 3, (Si-H 2 )n Si-Si 수소량계산 박막의특성분석 : SiH/SiH 2 박막에서수소의 out-diffusion 72

73 그림 의기판온도와 Ar:5 at% 로희석한 SiH 4 로준비한시료 α-si:h의 IR 투과도. 73

74 수소화된비정질실리콘에서 Si-Hn 진동모우드의흡수주파수 Mode (cm -1 ) Group Stretching Bending Rocking SiH SiH (SiH 2 ) n 2090 ~ , SiH ,

75 Si-H n 결합의유형에관련된진동모우드와흡수주파수 75

76 FR-IR 로부터수소함량결정 T = (1-R) 2 exp(- at)/[1 - R 2 exp(- 2at)] T = 4 T 0 2 exp(- at)/[(1 + T 0 ) 2 - (1 - T 0 ) 2 exp(- 2at)] C H = A a(hn) dhn [at.%cm/ev] A = 2000 cm -1 : cm cm -1 : cm cm -1 : cm -2 76

77 Distributed phase Clustered phase 수소화된비정질실리콘에서두가지의 Si-H 분포모형도 ( : silicon, : hydrogen) 77

78 그림 4.16 α-sih에모여있는 SiH, SiH 2, SiH 3 의진동모드에대한개략도. 채워진원은실리콘의원자이고열려진원은수소를나타낸다. 각모드에대해나타나있는파수는 cm -1 로표시되는적외선파장에대응한다 78

79 비정질실리콘에서수소의확산 Interstitial site Disorder 때문에 weak Si-Si bond 존재 Weak Si-Si bond 사이로확산가능 Mobile hydrogen atom 증착온도가증가하면박막에포함된수소량감소 450 o C 에서증착 -> 수소량 < 1 at.% 450 o C 에서어릴링 -> 수소량 < 1 at. % 79

80 Mobile hydrogen Trap E HD Weak bonds Traps Diffusion SiH H (b) (a) 수소확산 mechanism ((a)trapping sites 와 mobile 수소에너지에해당하는 potential wells, (b)si-si 결합사이에서수소의운동 ) 80

81 비정질실리콘에서준안정성 빛조사후 전기전도도감소 Spin 밀도증가 Device 특성변화 TFT 의문턱전압증가태양전지의효율감소 Reversible process 200C 에서어릴링 -> 원상태로회복 수소와관련 81

82 (a) Stable state state (b) Metastable 빛조사에의한준안정댕글링본드형성의미세모델 82

83 수소화된비정질실리콘의전기적특성 수소화된비정질실리콘의캐리어수송변수 Drift Mobility (cm 2 /Vs) Activation Energy (ev) Band Mobility (cm 2 /Vs) Bandtail Slope (ev) Electron Hole <

84 (b) (a) 수소화된비정질실리콘에서 trapping(a) 과 hopping(b) 에의한전자의이동모델 84

85 LOG CONDUCTIVITY (S/cm) LOGCONDUCTIVITY(S/cm) E a =0.83eV Glass Substrate -9 E a = ev /T(K -1 ) 1000/T (K -1 ) Al electrode 100 m a-si:h ~ 0.5 m 전기전도도측정구조 a 수소화된비정질실리콘에서전기전도도 d 의온도의존도 85

86 Doping in a-si:h Gas phase doping SiH 4 + PH 3 for n-type SiH 4 + B 2 H 6 for p-type Glow discharge For ohmic contact 1% gas phase doping 86

87 P 30 + Si 40 P 4+ + Si 3- + U B 30 + Si 40 B 4- + Si U Li 30 + Si 40 Li 4+ + Si 3- +U P 나 B 가도핑된수소화된비정질실리콘의전기전도도변화 87

88 Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si defect P + Si Si (a) (b) P 30 형태로결합하고있는상태 (a) 와 Si 3- 결함 (defect) 을형성하여 P 4+ 로바뀐상태 (b) 88

89 E P 3 0 +Si 4 0 (grounded state) P 4 + +Si 3 - (excited state) U Configurational coordinate P 30 + Si 40 결합과 P 4+ + Si 3- 결합의에너지차이 89

90 (a) (b) 불순물의양에따른도핑효율 ((a) 는고체상태를 (b) 는기체상태의불순물을나타냄 ) 90

91 수소화된비정질실리콘의물성 Material constant Typical value Dark conductivity Conductivity activation energy Photoconductivity (AM-1, 100 mwcm -2 ) Optical band gap Temperature coefficient of optical S/cm 0.76 ev S/cm ev ev/k band gap Electron mobility Hole mobility Carrier diffusion length Electron affinity Refractive index Density Hydrogen content Crystallization temperature Valence band tail slope Conduction band tail slope ESR spin density cm 2 V -1 sec cm 2 V -1 sec -1 > 1.0 μm 3.93 ev gcm at.% mev 25 mev ev -1 cm -3 91

92 A-Si:H TFT 1979 년영국 Dundee 대학 LeComber 가 LCD 에응용을제안장점 1. 저온공정 2. 대면적가능 3. 게이트절연막 : SiN x Low interface states with SiN x 4. N + a-si:h, Ohmic contact 5. Low leakage current 단점 1. Low field-effect mobility Poly-Si 2. High photo sensitive Photo-leakage current 92

93 그림 3.3 수소화비정질실리콘과질화실리콘의박막을증착하기위한플라스마 CVD 시스템. 사일렌기체는 a-si:h 박막을증착하기위하여 rf 진공용기안에서해리되고, 질화규소를만들기위하여암모니아기체와질소기체를첨가한다. a-si:h를 doping하기위하여, 포스핀 (PH3) 또는다이보레인 (B2H6) 기체들을진공용기안으로넣는다. 93

94 94

95 그림 3.22 capacitive 전극에인가된 rf power에대한 SiN film의내부 stress 의존성. deposition 조건은다음과같다 : SiH4 =15sccm, NH3=90sccm, H2=200sccm, cathode area = 900cm 2, pressure=1torr, Tsub=

96 그림 3.23 여러절연체의전류-전압특성. 모든샘플은 1mm 2 의면적이다. Al 2 O 3 film의 breakdown 전압은 V/cm의전기장에해당하는 150V이다. 96

97 그림 3.24 알루미늄게이트 a-si:h TFT의단면. 게이트절연체는실리콘나이트라이드와알루미늄옥사이드로구성되어있다. Al 2 O 3 (=9.2) 의유전상수는 SiN(=6.9) 보다높고, 높은 transconductance가예상된다. 97

98 그림 3.25 (a) 양극산화기구, (b) 시간에따른전압, 전류변화를보여주는동작모드. 80% 규칙이산화박막에적용된다. 즉, 박막의항복전압은대략최종산화전압에 0.8을곱한것과같다. 98

99 그림자기정렬공정단계, 여기에보여진 liftoff 기술은자기정렬된 TFT 를제조하기위해언제나필요한것은아니다. 99

유기 발광 다이오드의 전하주입 효율 향상을 통한 발광효율 향상 연구

유기 발광 다이오드의 전하주입 효율 향상을 통한 발광효율 향상 연구 - i - - ii - - iii - - iv - - v - - vi - 그림차례 - vii - - viii - - 1 - 5). - 2 - - 3 - 유기발광다이오드 ( 고분자또는저분자 ) 무기발광다이오드 (p-n junction LED) - + cathode ETL EML HTL HIL anode 발광 두께 : 100 ~ 200 nm 양극 ( 투명전극,