산화물 박막 트랜지스터 개발
 
- 심자외선/열처리 복합 공정을 활용한 저온 열처리 기술 적용
- 대면적 유연 디스플레이 상용화 길 기대

한국세라믹기술원(KICET, 원장 정연길)은 허수원 나노복합소재센터 박사와 박인표 연구원은 최근 과기부가 주관하는 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발사업 국가핵심소재연구단(플랫폼형)과 산업부가 주관하는 산업기술평가관리원의 산업기술 알키미스트 프로젝트의 지원을 통해 심자외선/열 복합 공정을 활용한 저온 열처리 기술을 적용하여 문턱전압 및 전자 이동도가 개선된 산화물 박막 트랜지스터를 개발했다고 지난달 19일 밝혔다.
  디스플레이의 백플레인에서 스위치 역할을 하는 박막 트랜지스터는 고해상도 및 고주사율 달성을 위해 높은 전자 이동도 특성을 요구하며, 저전압 구동을 위해 0볼트에 가까운 문턱전압을 필요로 한다. 특히, 산화물 박막 트랜지스터는 기존의 비정질 수소화 실리콘에 비해 높은 이동도를 가지고 있으며, 대면적 증착이 용이하고 유연성이 뛰어나 유연기판 및 인체 부착형 디스플레이의 스위치 소자로 적용이 가능하다. 하지만, 산화물 반도체의 성능 향상을 위해서는 350oC 이상의 고온 열처리를 통해 금속-산소 결합을 유도해야 하며, 높은 열처리 온도는 유연 기판의 열손상 및 소자의 문턱전압 음이동(minus shift)을 발생시켜 안정성 확보가 어려운 단점이 있다.
  연구팀은 성능을 향상시키면서 문턱전압의 음이동이 개선되어 저전압 구동 가능한 산화물 박막 트랜지스터를 개발하기 위해 심자외선/열 복합 처리기술을 도입하였다. 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연-주석 산화물, IGZTO)층에 수은 램프로 발생시킨 185nm와 265nm 파장의 심자외선 조사와 열처리를 동시에 하였다. 그 결과, 기존 전기로 열처리 공정으로 도입된 IGZTO층은 350oC에서 1시간 정도 열처리를 통해 고성능을 얻을 수 있었지만 심자외선/열 복합 처리는 250oC, 30분 이내의 처리로도 고성능 및 고안정성 박막을 얻을 수 있어 대면적 유연기판에 적용이 가능하다. 또한, IGZTO층에 존재하는 결함이 약 15% 감소하였으며, 낮은 온도임에도 금속-산소의 결합도는 기존 소자 보다 약 10% 향상되었다.
  특히, IGZTO층의 전자 이동도가 기존 소자에 비해 12% 증가되어 47.17cm2/Vs로 측정되었고, 문턱전압은 기존의 16V에서 2.5V 로 0V에 근접하게 개선되었다. 개발된 기술이 적용된 산화물 박막 트랜지스터는 양/음 전압 스트레스 시험에서도 각각 +1.4V/-3.0V 수준의 낮은 문턱전압 이동특성을 보였으며, 별도의 보호층 없이 120일간 대기 중에 보관하여도 처음 대비 89.7%의 이동도 성능을 보였다.
  한국세라믹기술원 허수원 박사는 “심자외선/열 복합 처리기술은 저온에서 산화물 박막의 활성화를 촉진시킬 수 있는 핵심공정으로써 박막 트랜지스터의 고성능과 고안정성을 동시에 달성이 가능하다”며, “향후 대면적의 유연한 디스플레이 상용화를 앞당길 수 있으며, 다양한 산화물 반도체 물질들에도 적용이 가능하다”고 말했다.
  이번 연구 성과는 영국왕립화학회가 발행하는 국제 학술지 저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 C (Journal of Materials Chemistry C, JMC C)에 2023년 6월호 논문으로 게재됐다.

<그림> (a)심자외선/열 복합 처리 공정 모습 (b)심자외선/열 복합 처리 시 산화물 반도체 박막 내부 모습 및 (c)심자외선/열 복합 처리된 산화물 박막 트랜지스터와 기존 전기로 열처리된 산화물 박막 트랜지스터의 전달 곡선 결과. (자료제공 : KICET)

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>