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  • 논문명/저자명 High-k 게이트 절연막과 열처리 공정 최적화를 통한 고성능, 고신뢰성의 InGaZnO 투명 박막 트랜지스터에 관한 연구 = (A)study of transparent InGaZnO thin-film transistors with high-k gate insulators and optimization of annealing process / 이세원 이용률 보통
  • 발행사항 서울 : 광운대학교 대학원, 2013.2
  • 청구기호 TM 620.11 -13-428
  • 형태사항 ix, 58 p. ; 26 cm
  • 자료실 석박사학위논문실(107호)
  • UCI G901:A-0005751949 UCI공유하기
  • 제어번호 KDMT1201335082
  • 주기사항

    학위논문(석사) -- 광운대학교 대학원, 전자재료공학과, 2013.2. 지도교수: 조원주

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표제지

국문요약

ABSTRACT

목차

제1장 서론 15

제2장 이론 19

2.1. TFT의 기본 동작 원리 19

2.1.1. 선형 영역 20

2.1.2. 포화 영역 22

2.2. TFT의 소자 구조와 특징 23

2.3. 투명 비정질 산화물 반도체 TFT 25

2.3.1. 산화물의 특징 25

2.3.2. 산화물 반도체의 특징 27

2.3.3. IGZO의 구조적, 전기적 특성 29

2.3.4. IGZO-TFT의 향후 전망 32

제3장 실험 33

3.1. 열처리 온도에 따른 IGZO pseudo-MOSFET의 제작 및 전기적 특성 33

3.1.1. 실험 방법 34

3.1.2. 열처리 온도에 따른 IGZO pseudo-MOSFET의 전기적 특성 35

3.2. 열처리 온도에 따른 IGZO pseudo- MOSFET의 제작 및 전기적 특성 42

3.2.1. 실험 방법 43

3.2.2. 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 MOS capacitor의 C-V 특성 44

3.2.3. 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO pseudo-MOSFET의 전기적 특성 46

3.2.4. 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO pseudo-MOSFET의 신뢰성 평가 50

3.3. SiO₂ 완충층의 역할과 두께에 따른 IGZO-TFT의 전기적, 신뢰성 평가 53

3.3.1. 실험 방법 54

3.3.2. SiO₂ 완충층 두께에 따른 IGZO-TFT의 전기적, 신뢰성 평가 55

3.4. Ta2O5 게이트 절연막을 갖는 top-gate 구조의 fully transparent IGZO-TFT의 제작(이미지참조) 61

3.4.1. 실험 방법 61

3.4.2. Top-gate 구조의 완전 투명 IGZO-TFT의 전기적 특성 62

제4장 결론 64

참고문헌 66

학술지 발표 논문 70

학술 대회 발표 70

표 1-1. 채널 물질에 따른 TFT의 성능 비교. 18

표 3-1. 열처리 온도에 따른 IGZO pseudo-MOSFET의 트랜지스터 파라미터. 41

표 3-2. 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO pseudo-MOSFET의 트랜지스터 파라미터. 49

표 3-3. 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO pseudo-MOSFET의 온도와 게이트 전압 스트레스에 따른 Vth의 변화율(이미지참조) 52

표 3-4. 각각 다른 두께의 SiO₂ 완충층을 가지는 IGZO-TFT의 트랜지스터 파라미터. 60

그림 1-1. 투명 디스플레이 기술 발전과 세계 시장 동향. 15

그림 2-1. 일반적인 TFT의 단면도. 19

그림 2-2. 기본적인 TFT의 네 가지 구조. (a-Si:H TFT). 24

그림 2-3. 산화물 (a)와 실리콘 (b)의 화학결합과 밴드의 비교 25

그림 2-4. (a) 공유결합 반도체의 궤도 결합구조와 비정질 산화물 반도체의 궤도 결합구조에 따른 캐리어의 전송 경로, (b) 금속 음이온의 궤도반경 크기에 따른 궤도결합 구조. 28

그림 2-5. IGZO의 구조 29

그림 2-6. (a) In₂O₃-Ga₂O₃-ZnO 계에서 Hall 효과로 측정한 전자 이동도와 농도, (b) IGZO의 비정질상 형성 영역. 30

그림 2-7. (a) a-IGZO와 a-IZO의 증착 시에 산소 분압에 따른 캐리어 농도, (b) 증착 후에 전도도의 불안정성. 31

그림 3-1. IGZO pseudo-MOSFET의 단면도. 34

그림 3-2. IGZO pseudo-MOSFET과 SOI pseudo-MOSFET (삽입 그림)의 전달 특성. 35

그림 3-3. 열처리 온도에 따른 IGZO 박막의 XRD 분석 36

그림 3-4. 열처리 온도에 따른 IGZO pseudo-MOSFET의 ID-VG 특성과 ID-VD 특성.(이미지참조) 37

그림 3-5. 열처리 온도에 따른 IGZO pseudo-MOSFET의 히스테리시스 특성. 38

그림 3-6. 다양한 high-k 게이트 절연막에 대한 MOS capacitor의 C-V 특성 44

그림 3-7. 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO pseudo-MOSFET의 전기적 특성. 47

그림 3-8. 다양한 high-k 게이트 절연막에 따른 IGZO pseudo-MOSFET의 히스테리시스 특성. 48

그림 3-9. 다양한 high-k 게이트 절연막에 대한 IGZO pseudo-MOSFET의 온도, 게이트 전압 스트레스에 의한 Vth의 변화(이미지참조) 50

그림 3-10. 적층된 Si₃N₄/SiO₂ 게이트 절연막을 갖는 IGZO-TFT의 단면 구조와 광학현미경 사진. 54

그림 3-11. 각각 다른 SiO₂ 완충층 두께를 가지는 NO구조 IGZO-TFT의 전기적 특성. 56

그림 3-12. 각각 다른 SiO₂ 완충층 두께를 가지는 NO구조 IGZO-TFT의 NBIS와 NBTIS 인가 후 전기적 특성. 57

그림 3-13. 각각 다른 SiO₂ 완충층 두께를 가지는 NO구조 IGZO-TFT의 NBIS와 NBTIS 인가 후 문턱 전압의 변화. 58

그림 3-14. 10㎚의 SiO₂ 완충층을 가지는 IGZO-TFT의 NBTIS 인가 동안의 에너지 밴드 다이어그램. 59

그림 3-15. Top-gate 구조의 완전 투명 IGZO-TFT의 제작 과정. 61

그림 3-16. IGZO 박막과 최종 제작된 IGZO-TFT의 투과도 비교. 62

그림 3-17. Top-gate 구조의 완전 투명 IGZO-TFT의 전기적 특성. 63

초록보기

 본 연구에서는 스퍼터링 방법을 이용하여 InGaZnO (IGZO) thin-film-transistor (TFT)를 제작하고 열처리 온도에 따른 특성 평가와 기존의 SiO₂ 게이트 절연막 대신 고유전 (high-k) 게이트 절연막을 이용하여 고성능, 고신뢰성의 IGZO-TFT를 구현하였다. 또한 IGZO pseudo-MOSFET이라는 구조를 처음 제안하여 그에 대한 구조와 특성을 평가하였다. 열처리 온도가 600 ℃일 때, 제작된 IGZO 소자는 낮은 subthreshold swing값, 높은 유효 전계 이동도, 106 이상의 온/오프 전류비, 그리고 낮은 계면 트랩 준위를 가지는 우수한 트랜지스터 특성을 보였다. 하지만 열처리 온도가 700 ℃ 이상이 되면 In-O의 결합이 끊어질만한 충분한 에너지를 가져 캐리어 농도를 담당하는 In의 부재로 구동 전류값이 감소하게 된다. 또한 700 ℃ 이상의 온도에서 IGZO 박막의 결정화가 진행됨에 따라 결정립계에 의해 이동하는 전자들이 트랩되어 이동도는 낮아지고 히스테리시스 값은 증가하게 된다.

또한 high-k 게이트 절연막의 효과를 알아보기 위해 다양한 high-k 게이트 절연막을 갖는 IGZO 트랜지스터의 전기적, 신뢰성 평가도 실시하였다. ZrO₂ 물질을 게이트 절연막으로 사용한 소자는 여러 후보군들 중에서 전기적 특성과 신뢰성 평가에서 상대적으로 모두 우수한 특성을 나타내었다. 추가적으로 high-k 물질 위에 적층된 완충층의 효과를 알아보기 위해 Si₃N₄ 게이트 절연막 위에 완충층 역할을 하는 SiO₂ 게이트 절연막을 적층시키고 SiO₂ 완충층 두께에 따른 전기적, 신뢰성 특성을 평가하였다. SiO₂ 완충층의 두께가 10 nm 일 때, 훌륭한 전기적 특성을 확인하였지만 빛과 온도, 그리고 음의 게이트 전압 스트레스 평가에서 큰 문턱 전압 변화율을 나타내었다. SiO₂ 완충층의 두께가 20 nm 일 때, 뛰어난 전기적 특성과 스트레스 인가 후 상대적으로 가장 적은 문턱 전압 변화율을 나타내어 최적화된 완충층 두께를 확인할 수 있었다.

최종적으로 투명 박막 트랜지스터를 제작 하기 위해 유리 기판을 사용하여 Ta2O5 게이트 절연막을 갖는 top-gate 구조의 완전 투명 IGZO-TFT 소자를 구현하였다. 최종 제작된 소자는 가시광 영역에서 80 % 이상의 투과율을 보이고 91.2 [mV/dec]의 subthreshold swing값, 13.2 [cm²/V·s]의 유효전계 이동도, 105 이상의 온/오프 전류비를 보여 투명 디스플레이의 고성능 스위칭 TFT 소자로써의 역할을 충분할 할 수 있음을 증명하였다.

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  • 논문명/저자명 [TI] :High-k 게이트 절연막과 열처리 공정 최적화를 통한 고성능, 고신뢰성의 InGaZnO 투명 박막 트랜지스터에 관한 연구 = (A)study of transparent InGaZnO thin-film transistors with high-k gate insulators and optimization of annealing process / 이세원
  • 외부기관 원문 발행년도 [PublicationYear] :2013.2
  • 다운로드 가능여부 [DOWN] :Y
  • 발행사항 [PublicationStatement] :서울 : 광운대학교 대학원, 2013.2
  • 청구기호 [CC] :TM 620.11 -13-428
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  • 자료실 [DataCenter] :석박사학위논문실(107호)
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  • UCI [UCI] :G901:A-0005751949
  • 표준번호/부호 [ISSN] :
  • 제어번호 [CN] :KDMT1201335082
  • 주기사항 [CycleMatter] :

    학위논문(석사) -- 광운대학교 대학원, 전자재료공학과, 2013.2. 지도교수: 조원주

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  • 해제 유형 [EXPPATH] :
  • 이용현황 [UsingStatus] :N
  • 동일저자자료 [SameAuth] :
  • 학위수여기관 [DegreeOrg] :광운대학교 대학원
  • 학위년도 [DegreeYear] :2013.2
  • 학위 [Degree] :학위논문(석사) --
  • 참고문헌 [Academic] :0
  • 원문유형1 [WT1] :P
  • 원문유형2 [WT2] :
  • 음성지원 [TT1] :1
  • 인기도 [PPR] :19
  • 관련자료 [KRMLINK] :
  • 발행년 [PD1] :2013.2
  • 발행자 [Publisher] :광운대학교 대학원
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