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표제지 2

목차 5

국문 요약 11

제1장 서론 13

1.1. 연구배경 13

1.1.1. 산화물 박막 트랜지스터 13

1.1.2. AC 바이어스 스트레스와 핫 캐리어 효과 14

1.1.3. 기존 연구 동향 및 한계 15

1.1.4. 이종접합 이중층 채널 도입의 필요성 17

1.2. 연구 목적 19

제2장 실험 21

2.1. 전구체 용액 제조 21

2.2. 소자 제작 22

2.3. 박막 특성 분석 23

2.4. 소자 특성 평가 및 스트레스 조건 24

2.5. 시뮬레이션 방법론 25

제3장 실험결과 및 고찰 26

3.1. Hf 도핑 농도 설정 26

3.2. 전기적 특성 및 AC 드레인 바이어스 안정성 31

3.2.1. AC 파라미터 설정 31

3.2.2. 교류전압 전후 전압-전류 특성 33

3.2.3. PBS 테스트 결과 37

3.2.4. Al 확산 가능성 검토 39

3.2.5. 커패시턴스-전압(C-V) 특성 41

3.3. Hf 도핑이 박막에 미치는 영향 43

3.3.1. 박막 특성 변화 (AFM) 43

3.3.2. 화학적 환경 변화 (XPS) 45

3.4. 이종접합 계면의 2DEG 분석 48

3.4.1. 에너지 밴드 구조 48

3.4.2. 2DEG 분석 52

3.5. TCAD 시뮬레이션 55

3.5.1. 상태 밀도 함수(DOS) 추출 55

3.5.2. 전자 밀도 변화 59

제4장 결론 63

참고 문헌 64

Abstract 78

표목차 10

Table 1. 1000초의 AC 스트레스를 가하기 전과 후의 제작 IZO 및... 35

Table 2. IZO와 IZO:Hf/IZO TFT의 DOS 파라미터 58

그림목차 7

Figure 1. AC 드레인 스트레스 하에서 Hf 도핑된 이종 이중층 구조... 28

Figure 2. (a) 이동도 및 (b) Iₒₙ 분해율에 따른 Hf 도핑 비율의... 30

Figure 3. AC 파라미터에 따른 Iₒₙ 열화율 비교 32

Figure 4. 교류전압 전후 (a) IZO와 (b) IZO:Hf/IZO TFT의 전류-전압... 35

Figure 5. IZO 및 IZO:Hf/IZO TFT의 히스테리시스 특성 36

Figure 6. (a) 대기 조건에서 2개월 후 IZO:Hf/IZO의 전기적 특성... 36

Figure 7. IZO TFT의 PBS 테스트 결과 38

Figure 8. 100nm 두께의 SiO₂ 를 게이트 절연체로 사용했을 때, AC... 40

Figure 9. (a), (b) IZO 및 (c), (d) IZO:Hf/IZO TFT의... 42

Figure 10. (a) IZO 및 (b) IZO:Hf/IZO TFT의 AFM 분석 결과 및... 44

Figure 11. X-선 광전자 분광법(XPS) 분석에서 얻은 (a) IZO 필름의... 47

Figure 12. (a), (b) IZO와 IZO:HF의 타우 플롯. (c), (d) IZO 및... 49

Figure 13. (a) IZO 및 IZO:Hf의 에너지 밴드 구조 모식도, (b)... 51

Figure 14. (a) 90-360K의 온도 범위에서 측정한 IZO 및 IZO:Hf/IZO... 54

Figure 15. (a), (b) 드레인 AC 스트레스 전후 IZO TFT의 측정(Mea)... 57

Figure 16. IZO TFT에서 AC 드레인 바이어스 스트레스 하에서... 60

Figure 17. (a), (b) 드레인 스트레스 전후 IZO TFT의 전자 농도... 62

초록보기

 금속 산화물 반도체는 높은 전자 이동도, 낮은 누설 전류, 우수한 스위칭 특성으로 인해 디스플레이 기술에 널리 활용되고 있다. 그러나 실제 소자 구동 환경에서 필수적인 조건인 교류(AC) 바이어스 스트레스 하에서의 안정성을 확보하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 특히, 핫 캐리어 효과는 산소 공공(VO) 및 억셉터 유사 결함 상태를 유발함으로써 AC 바이어스 스트레스 하에서 소자의 열화를 유도하는 주요 메커니즘으로 알려져 있다. 본 연구에서는 우수한 전기적 특성을 지니고 있으나 금속-산소 결합이 약한 IZO(indium-zinc-oxide)를 기반으로 AC 안정성을 향상시키고자 하였다. 이를 위해, 하부에 IZO, 상부에 Hf가 도핑된 IZO를 증착한 이종 이중층(heterobilayer) 채널 구조의 박막 트랜지스터(TFT)를 제안한다. 상부의 Hf-doped IZO 층은 산소와의 강한 결합을 형성하여 산소 공공 및 VO 관련 결함 상태 생성을 효과적으로 억제하고, 드레인 전극 인근에서의 과도한 핫 캐리어 축적 또한 완화시킨다. 반면, 하부 IZO 층은 풍부한 산소 공공을 제공하여 높은 이동도 확보에 기여한다. 제작된 IZO:Hf/IZO 이중층 구조의 TFT는 전자 이동도 7.3 cm²/Vs, 드레인 AC 스트레스 1000초 인가 후 Ion 열화율 4%를 기록하며 우수한 전기적 안정성을 나타냈다. 또한 AC 바이어스 조건에서도 문턱전압 이동(ΔVth)은 0.11 V에 불과하였고 전류 온/오프 비율은 1.8 × 106, 서브스레숄드 스윙은 512 mV/dec로 나타났으며, 매우 작은 히스테리시스와 우수한 재현성을 확보하였다. 추가적으로 TCAD 시뮬레이션을 통해 제안된 이중층 구조가 드레인 AC 바이어스 스트레스 하에서의 결함 생성 억제에 효과적임을 입증함으로써 소자의 안정성 향상 메커니즘을 이론적으로도 검증하였다.

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