특성화사업참가결과보고서 작성일 2017 12.22 학과전자공학과 참가활동명 EATED 3.0 프로그램지도교수박종태 연구주제명 Device Degradation of Amorphous InGaZno Thin Film Transistor under NBIS 학번 201301171 성명최종 I. OBJECTIVES 최근 IGZO 를활성화층으로이용한 IGZO TFT 가많이활용되어지고있습니다. IGZO 란인듐, 갈륨, 아연, 산화막으로구성된비정질반도체입니다. IGZO 의물질들은각각 전자이동도를높여주고, 과잉캐리어억제, 누설전류방지와같은특징을가지고있습 니다. IGZO가활용되어지고있는대표적인예로 OLED를들수있는데 OLED ( 유기발광다이오드 ) 는 LCD에서백라이트유닛과액정을빼고대신자체발광이되는형광성유기화합물을넣은제품입니다. 자체발광하여 LCD 보다화면이밝고소비전력이적은장점이있습니다. 이러한제품에서문제가되고있는것이소자의 degradation입니다. LED 작동시게이트부분에음의전압 ~ 양의전압이걸릴수있고 LED의빛또는반사된빛이소자에영향을줄수있습니다. 그래서이번연구주제로 Device Degradation of Amorphous InGaZno Thin Film Transistor under NBIS를정하게되었습니다. 저희는이번연구를하기위해 IGZO TFT의특징과작동원리및스트레스를가해줬을경우어떠한반응이나타나는지에대해논문및자료를통해공부를하였습니다. 소자를측정하기위해서소자의 L 과 W를선택하였는데. 가장많은표본을얻기위하여아래의사진에나와있는 Blue : 10 μm 부분을선택하였고 W 부분도마찬가지로많은표본을얻기위해처음에 Blue : 20 μm 부분을선택하였는데측정결과값이잘도출되지않아측정값이잘나온 RED : 10 μm 부분을선택하여진행하였습니다.
II. TECHNICAL APPROACH 위의사진은 IGZO 칩의 L과 W에따른배치표입니다. 그리고소자에열처리를하였는데 CTA (Convention Temperature Annealing ) 600 도에서 30분간일반적인열처리방법을사용한소자를사용하였는데이외의방식으로 RTA (Rapid Teamperature Annealing) 급격하게열처리를하는방식이있습니다.
II. TECHNICAL APPROACH 열처리가끝난소자를 Prove Station 으로 IGZO 의소스와드레인부분을컨택하여측정 을하였습니다. 소자를올려놓고팁을조절하는과정에서 IGZO 가작기때문에조절하는 데처음에어려움이있었고컨택하는과정에서소자가움직일시손상을입을수있기에
조심해서측정하였습니다. 위의사진은팁의위치및소자의위치를조정하는사진입니다. 소스와드레인컨택을할때팁의위치를일정한간격으로소스와드레인에두어야측정시결과값이일정하게나오기때문에매번측정시전에값과일정한오차가날수있습니다. 그리고문을닫거나미세한충격에도팁의위치가조금씩움직이기때문에전에실험과동일한결과값을얻기힘들수있습니다. 아래의사진은소스와드레인컨택한것을화면을통해확인한것입니다. III. TECHNICAL ACCOMPLISHMENTS 소스와드레인을컨택하고나서저희는게이트의전압을 -10V 부터 20V 까지측정을하며 IDS 를측정하였습니다. 아래의사진이 I-V 측정사진입니다. 가운데의노란색파형은 gm 값으로파형이매끄럽지못하게나오면 IDS의값이작게나오기때문에실험시 gm 값의파형의변화량도고려해야할대상중에하나입니다. 이이후에저희는스트레스를주어서 I-V의변화가어떻게되는지관찰하려고하였는데. 소자의두께별로전체적인값이다르다는걸알게되었습니다. 그래서두께별 I-V를측정하였는데고려해야할상황으
로위에서언급했던 L과 W를똑같이설정하여야하고팁의위치를소스와드레인동일한비율로설정을하여야합니다. 두께별 gm파형이비슷하게나오는것을체크하여비교를해야합니다. I값이나오더라도 gm파형의변화에따라그값이정확하지않을수있기때문입니다. 이론상으로는두께가두꺼워질수록 IDS값이크고문턱전압을비교하였을때문턱전압이두께가두꺼워질수록낮아집니다. IV. REPRESENTATIVE RESULTS T IGZO =10nm T IGZO =30nm T IGZO =50nm V TH (V) 1.49355 0.2789 0.0016 S(V/dec) 0.093 0.117 0.114 V ON (V) -0.58-1.59-1.89 I ON /I OFF 1.2E^06 2.19E^6 2.79E^6 μ FE (cm 2 /V S) 1.57 1.62 1.75 표1) IGZO 두께별파라미터값 위의사진은 IGZO 소자를두께별 10nm 30nm 50nm로본 I-V그래프입니다. 그래프를봤 을때두께가두꺼워질수록 Ion 의값이커짐을알수있고문턱전압이점점낮아짐을알 수있습니다. 이러한이유로는 IGZO의두께가두꺼워질수록더낮은게이트전압에서채 널을완전히공핍시킬수있기때문입니다. 그리고두께가두꺼워짐에따라채널에있는 전자들이커지기때문에 Ion값이커지게됩니다. 오른쪽의표는왼쪽의그래프에서중요 한값들을숫자로보기쉽게나타낸것입니다. Vth 의값이 10nm 일때는 1.49355 30nm 일때는 0.2789 50nm일때는 0.0016으로낮아짐을알수있고 Ion/Ioff 의비를통해두께가 가두꺼울수록 Ion 의값이크다는것을알수있습니다. 위의사진은 LG 디스플레이에서참고한 TFT 동작파라미터특징입니다. IGZO 소자의장 점은전자의이동도가좋다는것이고 S 의값을보았을때 0.09~0.11 로응답속도의면에서 크게우수함을알수있습니다. Ion 의전류가높다는것은전류가공급이잘되고있는것
이고 Ioff 의값이낮을수록전원이꺼졋을때전류의낭비가적다는것이므로 Ion/Ioff 비 가높을수록좋은것을나타내는데두께가두꺼워질수록비율이높아집니다.
IV. REPRESENTATIVE RESULTS NBIS 상태에서소자가어떤영향을받는지측정을하기위해 VGS=-15V로주었고빛의세기는 0.44mW로 60분까지시간간격으로측정하였습니다. 위의사진들은 NIBS상태에서변화량을측정한그래프입니다. 순서대로 10, 30, 50nm순으로측정을하였고두께가두꺼울수록변화량이적은것을알게되었습니다. 변화량이많다는것은소자의 degradation 이많이발생한다는것입니다. 소자의 degradation 현상은일정한시간이지난후에돌아왔지만문턱전압의변화량이크다는것은원하지않을때기기가작동하여정상적인제품으로써의기능을못할수있습니다. 이러한 degradation은해결되어야할문제입니다. 소자를선택할때문턱전압의값과변화량을고려해서선택을하여야할것입니다.
IV. REPRESENTATIVE RESULTS 그다음으로저희는 C-V를통해 degradation 현상을측정하였습니다. 빛의세기및 VGS 의값은 I-V를측정했을때와똑같은조건하에측정을하였습니다. C-V를측정하기위해서는 I-V와마찬가지로소스와드레인모두컨택하는것이아닌드레인부분을오픈시켜측정하였습니다. C-V의그래프를보면검은색으로표현한것이스트레스를가해주기전 C-V 그래프이고빨간색으로표현한것이스트레스를가해준이후에측정한것입니다. 스트레스를가해주기전보다스트레스를가해주고난이후그래프의파형이왼쪽으로이동하였는데. 이이유는 stress를가해주는동안에전자가게이트의산화층에포획되었기때문입니다. 그래프가매끄럽지않고파인부분이보이는데이현상은소자의열처리과정에서소자가손상을입었기때문입니다. C-V를통해서도 stress 이후 degradation 현상이발견되었습니다. 출처 그림 1: 네이버블로그그림 2: 연구실자료그림 3: 연구실자료그림 4: 연구실자료그림 5: 연 구실자료그림 11: 네이버블로그
저는이번에 IGZO 소자의 NBIS 상태에서 degradation 현상을두께별로측정하였습니다. 이를진행하면서많은논문과자료를참고하였고교수님의강의를따로들으면서진행하였습니다. IGZO 의기본적인장점으로전자이동도가높음을알게되었고스윙값이좋아서응답속도면에서우수하다는점을알게되었습니다. 소자의 degradation 현상을측정하면서문턱전압이변하는것을측정하였습니다, 처음에는 Negative Bias 상태에서측정을하였을때는변화량이그리많지않았고빛을가해주고나서변화량이크게나타나였습니다. 이는빛을가해주었을때전자가많이생성되어나타난현상입니다. I-V그래프및 C-V 그래프를통해 NBIS에서 degradation 현상을발견하였고. 두께별 I-V 그래프를통해 1. 두께가두꺼워질수록 Ion 커짐. 2. 두께가두꺼워질수록 Vth 낮아짐. 3. 두께가두꺼워질수록 degradation 적어짐. 을알수있었습니다. 소자를선택할때 degradation 정도와 Ion 전류를고려하면두께가두꺼운소자를사용하는것이맞다고생각되지만. 문턱전압이감소하므로소자를선택할때적절한두께를사용해야합니다.
V. FURTHER STUDY (NEXT PLAN) 최근산화물반도체를이용한 TFT 기술이디스플레이페널제작분야에서많은주목을받고있습니다. 실제로지금출시되고있는 TV 및핸드폰등에쓰이는액정부분에 OLED 가많이사용되어지고있습니다. 기존의저온다결정실리콘 TFT나비정질실리콘 TFT 에비해종합적인성능이우수하다는평과결과가예전부터제출되었습니다. OLED를활용하는대표적인기업을들면 LG 와삼성을들수있습니다. 위의사진은 LG디스플레이주력 OLED 시장규모입니다. 최근에출시되고있는고가의 LG TV들은거의 OLED TV입니다. 기존의 LCD TV와비교했을때 OLED TV는픽셀이직접빛을내기때문에백라이트가필요없고빛의표현범위가 LCD TV보다넓어진화한기술로평가고. LCD TV보다두께가더얇고휘어지는성질로디자인면에서의차별화도가능합니다. OLED TV 진영을주도하는 LG전자와 LG디스플레이는 초대형화 시대도준비하고있다고합니다. 소비자선호가 50인치대를넘어 60~70인치대까지확대될것으로예상되는만큼관련상품을늘리고가격경쟁력도갖출것입니다. 이를위해 LG디스플레이는주력이던 55인치 OLED 패널보다 65인치와 77인치패널생산에더많은힘을쏟고있는것으로알려져있습니다. 이처럼 LG 디스플레이가대형페널에주점을두고있다면삼성디스플레이는중소형페널에주점을두고있습니다. 저는디스플레이부분에관심을가지면서많은조사를하였습니다. 디스플레이부분에 많은관심을가지고있어서이번에 IGZO 소자에대해서진행을하였고이후에하는 Star 프로그램을통해 IGZO 와 OLED 에관련되서조금더깊게연구를할예정입니다. 이이후
에는폴더블, 플레시블, 스트레처블 OLED 같은기술에관심을가지고공부할것입니다. 출처 그림 19: 네이버기사그림 20: 머니투데이기사