학술논문
Efficient Oxygen-Vacancy Suppression and Electrical Stabilization of Solution-Processed In2O3:Q (Q = S, Se) Thin-Film Transistor with Chalcogen Alloying / 칼코겐 음이온를 첨가한 인듐 산화물 반도체의 효과적인 산소결함 억제 및 이를 적용한 고신뢰성 박막형 트랜지스터 개발
Document Type
Dissertation/ Thesis
Source
Subject
Language
English
Abstract
Transparent oxide semiconductors are successfully implemented as thin-film transistors (TFTs) for large-area display applications with superior electrical performance in comparison with that of conventional amorphous silicon. However, further development of high-performance oxide semiconductors is hindered by the trade-off between mobility and stability. Mixed metal composition containing heavy metal cations shows high-mobility/low-stability and light metal cations exhibits low- mobility/high-stability. A novel material design strategy for realizing a high-performance oxide semiconductor for TFTs through partial substitution of Se or S for O in In2O3 is reported. In contrast to the conventional small-sized Ga substitution for suppressing oxygen vacancies, the replacement of O by Se or S results in lattice stabilization and oxygen- vacancy suppression, consequently stabilizing Se- or S-incorporated In2O3 TFTs. In2O3:Se TFTs exhibit an average field-effect mobility of 6.1 cm^2V^−1s^−1, ON/OFF current ratio (Ion/Ioff) of 10^8, and excellent operational stability with threshold voltage shift values of 805 kHz and a corresponding propagation delay of
금속산화물 반도체는 기존의 비정질 실리콘 대비 매우 우수한 전기적 특성으로 인하여 고성능, 대면적화, 활용성 측면에서 강점을 보이며, OLED, Flexible display, Bioelectronics 등 신기술 상용화에 크게 기여하고 있다. 하지만 이러한 우수한 전기적 특성에도 불구하고 금속과 산소의 상대적으로 약한 쿨롱 힘(coulombic force)에 의해 발생하는 산소 공공(vacancy)은 여전히 해결해야 할 숙제이다. 산소 공공의 발생은 전자를 과잉 양산하게 되며, 이는 금속산화물 반도체의 구동 특성을 저해하기 때문이다. 이를 극복하기 위해 기존의 금속 양이온(In, Sn, Cd 등) 보다 가벼운 금속(Ga)을 일부 첨가하는 방식이 널리 활용되고 있으나, 이는 전기적 특성의 핵심 요소인 전자의 이동도(mobility)를 크게 낮춤으로 서로 상충관계(trade-off)에 놓여있다. 따라서 가벼운 금속 양이온을 첨가하는 방식만으로는 더 이상의 연구성과를 기대하기 어렵다. 우리는 본 연구를 통해 앞서 언급된 문제들을 타개할 수 있는 완전히 새로운 방식의 금속산화물 재료설계 모델인 칼코겐 음이온 합금(alloying)을 제안한다. 금속산화물에 칼코겐 Se or S 음이온 첨가하였을 때 산소 공공 생성이 효과적으로 억제되며, 그와 동시에 전기적 특성의 저해를 최소화할 수 있음을 증명하였다. 또한, In2O3를 기반으로 하여 Se 및 S를 첨가한 IOSe, IOS TFTs(thin-film transistors)를 개발하여 전구체 및 TFT 제조 최적화를 진행하였다. ITO-Al2O3-IOSe(0.5)를 각 전극(gate)-유전체(insulator)-반도체(semiconductor) 층으로 사용하여 최적화 한 결과, 평균 전계효과 이동도 6.1 cm^2V^−1s^−1, ON/OFF 전류비 10^8, 0.10 V 이하의 매우 훌륭한 구동 안정성을 보였다. 나아가 단일 소자뿐만 아니라 회로 구현 가능성을 확인하기 위하여 7단계 ring oscillator에 해당 소재를 적용하였다. 20 V의 구동전압 하에서 805 kHz 이상의 발진 진동수(oscillation frequency), 90 ns 이하의 전개 지연(propagation delay)을 보였으며, 이는 단일 소자의 이동도 6.1 cm2V−1s−1에 상응하는 수치임이 확인되었다. 해당 연구 결과는 칼코겐 음이온 합금이라는 완전히 새로운 방식의 금속산화물 반도체 재료설계 모델이 기존의 가벼운 금속 양이온(Ga) 첨가 방식보다 우수한 특성을 보인다는 점에서 시사하는 바가 크다. 본 연구가 차세대 금속산화물 반도체 재료설계에 새로운 판로가 되기를 기대한다.
금속산화물 반도체는 기존의 비정질 실리콘 대비 매우 우수한 전기적 특성으로 인하여 고성능, 대면적화, 활용성 측면에서 강점을 보이며, OLED, Flexible display, Bioelectronics 등 신기술 상용화에 크게 기여하고 있다. 하지만 이러한 우수한 전기적 특성에도 불구하고 금속과 산소의 상대적으로 약한 쿨롱 힘(coulombic force)에 의해 발생하는 산소 공공(vacancy)은 여전히 해결해야 할 숙제이다. 산소 공공의 발생은 전자를 과잉 양산하게 되며, 이는 금속산화물 반도체의 구동 특성을 저해하기 때문이다. 이를 극복하기 위해 기존의 금속 양이온(In, Sn, Cd 등) 보다 가벼운 금속(Ga)을 일부 첨가하는 방식이 널리 활용되고 있으나, 이는 전기적 특성의 핵심 요소인 전자의 이동도(mobility)를 크게 낮춤으로 서로 상충관계(trade-off)에 놓여있다. 따라서 가벼운 금속 양이온을 첨가하는 방식만으로는 더 이상의 연구성과를 기대하기 어렵다. 우리는 본 연구를 통해 앞서 언급된 문제들을 타개할 수 있는 완전히 새로운 방식의 금속산화물 재료설계 모델인 칼코겐 음이온 합금(alloying)을 제안한다. 금속산화물에 칼코겐 Se or S 음이온 첨가하였을 때 산소 공공 생성이 효과적으로 억제되며, 그와 동시에 전기적 특성의 저해를 최소화할 수 있음을 증명하였다. 또한, In2O3를 기반으로 하여 Se 및 S를 첨가한 IOSe, IOS TFTs(thin-film transistors)를 개발하여 전구체 및 TFT 제조 최적화를 진행하였다. ITO-Al2O3-IOSe(0.5)를 각 전극(gate)-유전체(insulator)-반도체(semiconductor) 층으로 사용하여 최적화 한 결과, 평균 전계효과 이동도 6.1 cm^2V^−1s^−1, ON/OFF 전류비 10^8, 0.10 V 이하의 매우 훌륭한 구동 안정성을 보였다. 나아가 단일 소자뿐만 아니라 회로 구현 가능성을 확인하기 위하여 7단계 ring oscillator에 해당 소재를 적용하였다. 20 V의 구동전압 하에서 805 kHz 이상의 발진 진동수(oscillation frequency), 90 ns 이하의 전개 지연(propagation delay)을 보였으며, 이는 단일 소자의 이동도 6.1 cm2V−1s−1에 상응하는 수치임이 확인되었다. 해당 연구 결과는 칼코겐 음이온 합금이라는 완전히 새로운 방식의 금속산화물 반도체 재료설계 모델이 기존의 가벼운 금속 양이온(Ga) 첨가 방식보다 우수한 특성을 보인다는 점에서 시사하는 바가 크다. 본 연구가 차세대 금속산화물 반도체 재료설계에 새로운 판로가 되기를 기대한다.