4-31) OLED, 백플레인, TFT, 산화물 TFT

 

금속 산화물 TFT

 

금속 산화물 반도체를 이용한 TFT, 즉 산화물 TFT의 연구는 1990년대 중반에 일본, 동경공업대의 호소노 그룹이 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 그리고 산소(O)로 이루어진 IGZO 박막 트랜지스터를 발표하면서 본격적으로 시작되었고, 20여년이 지난 지금은 중 대형 OLED를 위주로 투명, 유연 디스플레이들의 백플레인으로 본격 적용되고 있습니다.

 

금속 산화물 반도체

 

산화물 반도체는 금속 양이온과 산소 음이온간의 이온 결합으로 이루어진 화합물 반도체입니다.전도대의 최소값(Conduction Band Minimum, CBM)은 주로 금속들의 s 오비탈, 가전자대의 최대값(Valence Band Maximum, VBM)은 주로 산소의 p 오비탈들로 이루어져 있죠. 특히 큰 반경의 금속 양이온은 인접한 양이온과 궤도 겹침이 발생하며 캐리어의 효과적인 이동 경로를 제공합니다. 이에 더하여, 비정질 상태가 되어 구조적 변형이나 뒤틀림이 발생하여도 캐리어의 이동은 큰 영향을 받지 않죠. 주 캐리어는 전자로서 n형이며, 산소의 결함과 도핑된 수소가 n 형 캐리어 역할을 합니다. 전기적인 특성은 산소의 빈 격자점 (vacancy)과 도핑된 수소에 크게 의존합니다. 예를 들어, 대표적인 산화물 반도체인 InGaZnO의 경우, 반도체를 구성하는 금속 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn) 중에서 산소와의 결합이 가장 약한 인듐이 산소의 빈 격자점 형성을 용이하도록 하여 전기적 특성에 영향을 주죠. 이러한 빈 결함(vacancy)과 함께 틈새(interstitial), 치환형 결함(substitutional), 그리고 산소의 결핍, 수소의 도핑 등이 모두 전기적인 특성을 결정합니다.

 

금속 산화물 반도체, 캐리어 이동

 

이러한 산화물 TFT는 비정질 실리콘 TFT에 비해 이동도가 열 배 이상 높고, LTPS TFT와 비교할 때 이동도는 다소 낮더라도 공정 온도가 낮고 공정이 간단하며 균일도가 높아서 대면적화에 유리한 장점이 있습니다. 특히 누설 전류값이 낮아서 화질 향상이나 소비 전력의 절감에도 유리하죠. 또한 밴드갭이 3.0 eV 정도로 커서 가시광선의 흡수가 일어나지 않고, 강한 이온 결합으로 인하여 스트레스에 적응이 가능하므로 투명 디스플레이나 유연 디스플레이 구현시에도 상대적으로 유리합니다. 다만, 단원소 반도체와 비교할 때 동작의 안정성에 개선의 여지가 남아 있으며, 해상도와 화면 크기의 증가에 따라 이동도를 LTPS TFT 수준으로까지 끌어올려야 될 상황을 준비하여야 합니다.

 

LTPS와 산화물 TFT

 

산화물 TFT의 다양한 연구들은 지금도 진행 중입니다. 먼저, 조성비 변화를 통한 이동도 개선이 활발하죠. 즉, 기본적으로는 IGZO에 관한 연구가 중심이 되고 있지만 일부 다른 조성비를 가지는 산화물 TFT도 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어, ITZO(Indium Tin Zinc Oxide)의 경우, 이동도가 30cm2/Vs 정도가 얻어지는 것으로 보고된 바 있으며, In-Ga-Zn-Sn-O 조성으로 이동도와 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다는 연구 결과도 발표되었습니다. 아울러, ZnON TFT는 이동도를 100cm2/Vs까지 끌어올릴 수 있다고 보고된 바 있고, ZnO TFT로 14인치급의 AM-OLED를 구동한 예도 있죠. 이에 더하여, 소자의 구조, 안정성, 특히 빛과 산소, 수분 등에 노출될 경우 특성이 저하되는 현상도 주요 이슈가 되고 있습니다.

 

산화물 TFT 특징, 제조 공정

 

 

# 참고로 하고 있는 여러 자료들의 제공에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.

# 의견과 조언, 수정과 요청은 늘 환영합니다. 댓글이나 전자메일로~ bkju@korea.ac.kr

# 저작자, 본 사이트를 반드시 표시, 비영리적으로만 사용할 수 있고, 내용 변경은 금지합니다.

 

 

# 더! 생각해보기

a. 산화물 TFT의 등장 배경은 무얼까

b. 산화물에서의 전기 전도에 관하여 좀 더 깊게 이해하여보자

c. 산화물 TFT의 장점과 디스플레이 응용을 위해 해결하여야 할 단점, 약점들은 무언지, 해결 방법과 함께 생각해보자

d. 산화물 TFT가 투명 디스플레이에 이용될 수 있는 이유, 실제 활용이 가능한지를 조사, 분석해보자

 

 

# 문제! 풀이

 

 

4-31. OLED, 백플레인, TFT, 산화물 TFT-복사.pdf

0.98MB

 

 

blog.daum.net/jbkist/4999?category=855181

저온 다결정 산화물(LTPO) 박막트랜지스터(TFT)