Light induced phenomena in amorphous oxide semiconductor thin film transistors

Abstract

Amorphous oxide semiconductors (AOSs) are a new branch of materials that open up a wide variety of novel applications due to their unique optical and electrical characteristics. While the large overlap between the metal n s1 orbitals maintain the electrical properties of these materials at a sufficiently high level even in the disordered amorphous structure, their wide band gap (generally ~3.0eV to ~3.5eV) makes them transparent to the human eye. The electron mobility of conventionally fabricated AOS channel layers (~10 cm2/Vs) are known to far exceed amorphous Si (~1 cm2/Vs) and by implementing a thin metal layer at the AOS/gate insulator interface, there have been reports of mobility values even comparable to polycrystalline Si (~100cm2/Vs). These aspects make these materials excellent candidates not only for the semiconductor layer in next generation displays, but also for other novel electronic devices such as fully transparent displays or 3D memories. Of these various applications, research in the field of AOS is especially focused on thin film transistor (TFT) backplanes for large scale high definition (HD) or ultra-high definition (UD) LCD displays. The main reason for this type of interest is their guaranteed uniformity over large areas, which comes from the amorphous character of these material systems. Unlike poly crystalline Si, AOSs have no grain boundary issues, do not need expensive excimer laser annealing, and can be fabricated at room temperature using conventional RF sputtering. The transparency of these materials at optical wavelengths also helps enhance the overall power efficiency of display devices by allowing a larger portion of generated light to escape the TFT panel. However, despite these pragmatic features, there is a reason why AOS based systems have not been implemented in everyday applications yet; they have reliability issues. A TV display at home should have the same fidelity and color even after a few months has passed since first turned on. Unfortunately, it is well known that ZnO based AOS TFTs show a significant threshold voltage (Vth) under negative bias illumination stress (NBIS) conditions. This is especially discouraging because TFTs in displays spend most of their time under these conditions because it corresponds to the off-state of a pixel. Therefore, overcoming these issues is a key factor for AOS TFTs to be applied to actual household electronic devices. A systematic approach to resolve any phenomelogical problem requires accurate knowledge on what causes such type of behavior. However, despite the abundant amount of research conducted on the presence NBIS instability in AOS TFTS and on methods to improve it, there have been almost no attempts to pinpoint the exact mechanism for light induced phenomena in AOS systems. In this dissertation, a series of experiments was designed to shine light on such issues using InGaZnO (IGZO) thin films, the prodigy of AOS materials. Also, various methods to improve the optical instability of these systems are given based on the knowledge acquired from the experiments performed. First, to clarify the mechanism of Vth shifts in the transfer curves of IGZO TFTS under NBIS conditions, a band diagram that could detect the presence of holes in IGZO systems was proposed based on values reported from previous studies. After fabricating a set of samples accordingly in the metal-oxide-semiconductor capacitor (MOSCAP) structure, I-V curves were measured under illumination at various wavelengths. This showed that a significant hole current existed in IGZO systems at wavelengths shorter than 600nm (~2.0 eV). The existence of such current directly showed that electron-hole pairs are generated when the energy of incoming photons is larger than a threshold value, and that these holes are mobile enough to be attracted toward the gate insulator under a negative bias. IGZO TFTs fabricated under identical conditions showed that NBIS instability was non-existent when no holes were present in the channel, providing a very candid explanation for the mechanism of NBIS instability in these devices. Although normally studies on light induced phenomena in AOS TFTS are focused on NBIS instability, another important characteristic that needs investigation is the behavior of the transfer curves of AOS TFTs themselves under illuminated conditions. The cold-cathode fluorescent lamps (CCFLs) are always turned on during the operation of any active matrix display unit, meaning that the actual transfer characteristics that contribute to device operation are those measured under illumination. Many previous reports show figures where the sub-threshold swing (SS) of the transfer curve of an AOS TFT is increased when incoming light is present during a gate voltage sweep. However, none of these reports properly discuss the mechanism of this phenomenon. Therefore, in this dissertation, simple double sweeps were performed on HfInZnO (HIZO) TFTs under illumination at various wavelengths with various intensities to investigate this type of behavior. As a result, an abnormal hysteresis was found to exist, and a model based on the movement of ionized oxygen vacancies was proposed. This trend was found to be in close correlation with the magnitude of the sweep performed, giving hints that the phenomenon is driven by ionic motion rather than electronic motion. The threshold energy required from the incoming photons (~2.3eV) to cause the hysteresis was also in good agreement with values calculated for the generation of ionized oxygen vacancies in AOS systems using first principles, further supporting the model. As an attempt to improve the issues mentioned above, this dissertation discusses two separate methods. Because both phenomena are light induced, a simple way to minimize instability in IGZO systems is to minimize light absorption in the IGZO layer. System parameters such as optical constants and individual layer thickness have a large influence on how much optical field is present in a specific layer of a multilayer system. Since optical constants are material fixed at each wavelength, the influence of individual layer thickness on light induced phenomena in IGZO systems was investigated. Using the simple transfer matrix method widely used in the field of photovoltaics, quantitative expectations were made regarding the amount of photons aborbed in each layer, and experimental data from Vth shifts in TFT samples and hole current in MOSCAP samples were in good correlation with these results. This implies that the structure that causes minimum instability can be designed when the material constants are given in any AOS TFT system. Another approach this dissertation discusses is the implementation of a very thin In2SnO3 (ITO) layer at the IGZO/gate insulator interface. ITO is a well known heavily doped n-type semiconductor. In such species, the lifetime of minority carriers are extremely short, usually falling in the range of a few picoseconds. This makes ITO an excellent blocking layer for light induced instabilities, and positioning this layer at the IGZO/gate insulator interface screens them from the influence of holes on the output transfer characteristics IGZO TFT. Experimental results confirmed this theory, and moreover the presence of a metallic layer at the channel interface enhanced the mobility of the TFT, providing a device superior in all aspects compared to conventional cases

비정질 산화물 반도체(AOSs)는 그 뛰어난 전자 이동도(~10 cm2/Vs)와 넓은 밴드갭 (~3.0eV 에서 ~3.5eV) 때문에 최근에 트랜지스터를 이용하는 다양한 전자제품 분야에서 각광 받고 있는 신 물질이다. 이러한 비정질 산화물 반도체는 특히 디스플레이 산업에서 차세대 채널 물질로 연구가 많이 진행되고 있는데, 이는 이 물질 그룹이 기존의 비정질 실리콘(a-Si)에 비해서는 월등히 뛰어난 전기적 특성을 가지고 있고, 다결정 실리콘(poly-Si)에 비해서는 공정 가격 측면과 균일성에서 우위를 가지고 있기 때문이다. 그러나 비정질 산화물 반도체는 이러한 장점에도 불구하고 당장 디스플레이 양산에 적용되기는 어려운데, 그 가장 큰 이유는 가동 조건에서의 신뢰성이 확보 되지 않았기 때문이다. 디스플레이에 사용되는 박막 트랜지스터 백 플레인은 기기가 가동중일 때 지속적으로 빛이 조사되고 있는 환경에서 동작하게 된다. 따라서 비정질 산화물 반도체를 디스플레이 산업에 적용하기 위해서는 이 물질이 빛이 조사되고 전계가 가해지고 있는 상황에서 안정적으로 전기적 특성을 낼 수 있어야 한다. 그러나 비정질 산화물 반도체를 채널 물질로 선택한 박막 트랜지스터들은 negative bias-illumination stress (NBIS) 조건에서 문턱전압이 눈에 띄게 이동하는 것이 확인되었고, 또 빛이 가해지고 있는 상황에서는 transfer curve 자체가 열화되는 현상도 보고되었다. 이러한 문제들을 체계적으로 접근하여서 해결하기 위해서는 현상에 대한 정확한 메커니즘을 파악하는 것이 우선이다. 따라서 본 논문에서는 비정질 산화물 반도체 중 대표적인 물질인 InGaZnO (IGZO)를 가지고 이러한 광열화의 메커니즘을 규명하고, 그에 대한 이해를 바탕으로 IGZO로 만든 소자들의 광신뢰성을 향상 시킬 수 있는 방안에 대하여 발표하였다. 먼저, 앞서 언급한 NBIS조건에서의 문턱 전압 이동의 메커니즘을 규명하기 위해서 IGZO내부의 홀(hole)의 존재를 확인할 수 있는 밴드다이어그램을 구성하고, 실제로 이러한 특성을 갖는 소자를 만들었다. Metal-oxide-semiconductor capacitor (MOSCAP)구조에서 I-V 특성을 측정해본 결과, 600nm 이하의 파장을 갖는 빛 (>~2.0eV) 이 조사되고 있을 때 추가적인 전류가 흐르는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 추가적인 전류는 홀의 전도로 인한 것임을 밴드다이어그램 고려를 통해서 알 수 있었고, 이는 IGZO를 비롯한 비정질 산화물 반도체 물질들에 빛이 가해지고 있는 상황에서는 홀이 충분히 발생하고, 충분한 이동도를 갖는 것을 확인시켜주었다. 또한, 외부에서 조사된 빛으로 인해 발생한 홀과 IGZO 박막 트랜지스터의 광 열화간의 상관관계를 파악하기 위해서 박막 트랜지스터들의 광 신뢰성을 확인한 결과 홀이 발생하기 시작했을 때 광열화가 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 비정질 산화물 반도체 시스템에서 문턱전압 이동이 나타나는 주요 원인은 채널/절연체 계면에서의 홀 트래핑으로 인한 것임을 보여주는 매우 중요한 결과이다. 또한 현존하는 액정 디스플레이(LCD) 구조에서는, 박막트랜지스터 백 플레인은 동작 중에 항상 빛에 노출되어 있게 된다. 따라서 빛이 조사되고 있는 상황에서의 transfer curve가 전기적 특성을 유지하는 것이 중요하다. 그런데 이러한 조건에서의 비정질 산화물 반도체에 대한 분석은 보고된 바가 없다. 따라서 본 논문에서는 빛이 조사되고 있는 환경에서 HfInZnO(HIZO) 박막 트랜지스터의 transfer curve에 나타나는 변화를 관찰하고, 그 원인 규명에 대한 연구를 진행하였다. 그 결과, 특정 파장 이상의 에너지 (~2.3eV)를 갖는 빛이 조사되는 경우 HIZO 박막 트랜지스터들에서는 특이한 형태의 hysteresis가 관찰되었는데, 이러한 현상은 이온화된 oxygen vacancy의 이동을 바탕으로 한 모델로 설명 할 수 있었다. 추가적으로 진행한 실험들에서 요구 에너지, 정량적으로 분석된 defect의 수, 그리고 전기적 구동력 측면에서 이 모델의 유효성을 확인하였다. 앞서 언급한 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로, 본 논문에서는 공학도로써 비정질 산화물 반도체의 광 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안에 대해서도 연구를 진행하였다. 많은 문헌에서 이러한 지식을 바탕으로 전기적인 접근을 통해서 비정질 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 광신뢰성을 향상시키기는 방안에 대해서 보고한다. 그러나 대부분의 경우 빛이 입자-파동 양자성(particle-wave duality)를 갖는 매체라는 것을 간과한다. 본 논문에서는 이 점에 착안하여, 트랜지스터가 다층 박막 시스템이라는 점을 이용하여서 광학 모사를 통해서 신뢰성을 최소화 시키기 위한 연구를 진행하였다. 이러한 시스템에서 빛의 상호 간섭에 영향을 줄 수 있는 요인은 각 물질의 두께와 광학 상수인데, 소자에 사용될 물질이 정해지면 광학상수 또한 정해지기 때문에, 본 논문에서는 다른 하나의 변수인 두께의 최적화에 초점을 맞추었다. 실제 실험을 진행해본 결과, 각 층의 두께에 따라서 채널층에서 일어나는 빛의 흡수의 정도가 크게 변하는 것을 확인 할 수 있었고, 이러한 변화의 양상이 광학 모사를 통해서 예측한 것과 잘 맞아떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 본 논문에서 진행한 시뮬레이션이 유효함을 의미하고, 디스플레이용 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 최적화 뿐 아니라 특수한 광학 센서의 디자인등에 사용될 수 있음을 암시한다. 또 다른 접근 방식으로, 앞서 메커니즘 연구에서 비정질 산화물 반도체 박막 트랜지스터의 가장 큰 문제인 문턱 전압 변화가 홀 트래핑 이라는 것에 착안하여 본 논문에서는 절연체/채널 계면에 얇은 In-Sn-O (ITO)층을 exciton damping layer로 도입하였다. 그 결과, 광 신뢰성이 향상된 소자를 만들 수 있었고, 이러한 향상은 MOSCAP구조에서의 전류 측정을 통해 exciton damping에 의한 것임을 확인 할 수 있었다. 또한 ITO는 금속과 비슷한 특성을 가지는 물질이기 때문에 소자 자체의 전자 이동도(saturation mobility)가 약 80cm2/Vs로 다결정 실리콘에 육박하는 것이 확인되었다. 따라서 이 방법을 통해서 비정질 산화물 반도체 트랜지스터의 신뢰성이 향상되었을 뿐 아니라 전기적 특성도 향상되어서 전체적으로 특성이 개선된 소자를 만들 수 있었다.