Study on the device performance and photo-bias stability for the solution processed Zn-Sn-O field effect transistors

Abstract

ZnO를 기반으로 하는 산화물 반도체는 비정질 실리콘에 비해 높은 이동도와 투명도를 가지며, 저온 공정에서 제작이 가능하여 AMLCDs (active matrix liquid crystal displays) 또는 OLEDs (organic light-emitting diodes)와 같은 디스플레이 제품의 구동 소자로써 각광을 받고 있다. 최근에는 이러한 산화물 반도체를 제작하는 공정으로 기존에 사용되던 vacuum 기반의 공정을 대신하여 공정이 단순하고 낮은 비용과 높은 생산성을 갖는 용액공정을 이용하여 제작된 산화물 반도체도 보고되고 있다. 하지만, 빛과 gate 전압 stress에 의한 소자의 열화문제는 산화물 반도체의 상용화에 걸림돌로 작용하고 있으며 용액 공정을 이용한 Zinc Tin Oxide (ZTO) 박막트랜지스터의 경우 박막의 열처리 온도 및 Sn 조성이 광 전압 신뢰성에 미치는 영향에 대한 연구가 부족한 상황이다. 이 논문에서는 용액 공정을 이용하여 제작된 ZTO 박막의 열처리온도와 Sn 농도에 의한 다양한 물리적 특성들과 ZTO TFT의 이동특성 및 광 전압 신뢰성에 대한 영향에 대한 연구를 진행하였다. 첫째로, 용액 공정을 이용하여 우수한 특성을 나타내는 Zinc Tin Oxide 트랜지스터를 제작하였다. 제작된 ZTO 채널내의 산소 공공 결함의 밀도는 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하였지만 박막의 밀도와 순도는 증가하였다. 이러한 결과로, 용액 공정을 이용하여 제작된 ZTO 트랜지스터의 소자 특성은 열처리 온도가 증가함에 따라 향상되었다. Negative bias stress (NBS)와 negative bias illumination stress (NBIS)에서 Vth의 변화는 열처리 온도에 크게 영향을 받았으며, 열처리 온도가 증가함에 따라 감소하였다. 전하 트랩의 메커니즘을 확인하기 위하여, stretched exponential relaxation을 의거하여 모든 ZTO 트랜지스터에 대한 NBS와 NBIS 의 Vth 변화를 분석하였다. 각각의 트랜지스터의 Vth 이동은 NBS에 비해 NBIS에서 더욱 증가하였고, 그 결과 더 작은 relaxation 시간과 더 큰 dispersion parameter를 보였다. 이러한 특성의 향상은 열처리 온도가 증가함에 따라 산소 공공의 농도가 감소하였기 때문으로 산소 공공의 이동모델과 빛에 의해 생성된 정공의 trapping 모델로 설명될 수 있다. 이러한 결과로부터 용액 공정을 이용한 ZTO 채널의 순도와 치밀화가 우수한 광 신뢰성 특성을 가진 높은 성능의 산화물 반도체를 얻기 위한 중요한 인자임을 확인하였다. 다음으로 용액 공정을 이용한 ZTO 박막의 Sn/[Zn+Sn] 비율에 따라 화학적 그리고 전기적 특성의 변화에 대하여 연구하였다. Zn의 비율이 높은 ZTO 박막의 경우 다결정질의 wurtzite 구조를 가지고 있으며, Sn은 shallow donor임을 확인하였다. 반면, Sn의 비율이 높은 ZTO 박막의 경우 rutile 결정구조를 가지고 있으며, Zn 원자가 Sn 자리를 치환하여 acceptor로 작용할 것으로 추정된다. Sn/[Zn+Sn]의 비율이 0.28에서 0.48까지의 중간조성에서의 ZTO 박막의 경우 450도에서 열처리를 했음에도 비정질 구조를 가지고 있는 것이 확인되었다. 마지막으로, 다양한 Sn 조성비를 갖는 ZTO 트랜지스터의 전기적 특성과 광 전압 신뢰성을 평가하였다. Sn/[Zn+Sn] 비율이 0.48인 조성의 ZTO 트랜지스터에서 최적의 이동특성을 확인하였다. 이와는 반대로, 이보다 더 높거나 낮은 Sn 의 농도를 가진 ZTO 트랜지스터의 경우 소자 특성은 낮은 이동도와 높은 off 전류특성을 나타내었다. ZTO 트랜지스터의 광 전압 신뢰성은 산소 공공의 농도가 감소할수록 향상되었으며 비정질 구조에서 가장 우수한 특성을 나타내었다. 이러한 결과로부터 빛에 의해 여기되어 +2의 전하를 갖는 산소 공공의 결정립계를 통한 이동이 ZTO 트랜지스터의 광 전압 신뢰성에 큰 영향을 끼치며 비정질 구조를 갖는 조성의 ZTO 트랜지스터가 더욱 우수한 광 전압 신뢰성 특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다.

Zinc-based oxide thin film transistors (TFTs) have attracted considerable attention as a switching device for active matrix (AM) liquid crystal displays (LCDs) and organic light-emitting diodes (OLEDs) owing to their high mobility, good transparency to visible light, and low temperature capability compared to amorphous Si TFTs. Recently, the solution process has emerged as a viable alternative to the vaccum based process due to its process simplicity, low cost, and potentially high throughput. However, the device reliability under the gate bias stress and light stress still remains a critical issue for the implementation of oxide TFTs to the commercial electronic products and very little is known about the effect of annealing temperature and Sn content on the photo-bias stability of solution processed zinc-tin oxide (ZTO) TFTs. This dissertation discusses the effect of annealing temperature and Sn concentration on the various physical properties of the solution processed ZTO films, as well as the accompanying transport properties and photo-bias instability of solution-processed ZTO TFTs. At first, high performance zinc-tin oxide TFTs was fabricated using solution process. The density and purity of the resulting ZTO channel layer increased with increasing annealing temperature, whereas the oxygen vacancy defect density decreased. As a result, the device performance of solution processed ZTO TFTs was improved at higher annealing temperature. The instability of Vth values of the ZTO TFTs under NBS and NBIS condition was suppressed with increasing annealing temperature. To better understand the charge trapping mechanism, the dynamics of Vth shift with NBS and NBIS time for all ZTO TFTs was analyzed on the basis of the stretched exponential relaxation. The negative Vth shift for each transistor was accelerated under NBIS conditions compared to NBS, which resulted in a higher dispersion parameter and smaller relaxation time for NBIS degradation. The relaxation time for NBS and NBIS instability increased with increasing annealing temperature, which is discussed on the basis of the transition mechanism of oxygen vacancy defects. This suggests that the purification and densification of the solution-processed ZTO channel layer are critical factors for high performance oxide TFTs with excellent photo-bias stability. The structural, chemical and electrical properties of solution-processed (Zn,Sn)O3 (ZTO) films with various Sn/[Zn+Sn] ratios for potential applications to large-area flat panel displays were investigated. ZTO films with a Zn-rich composition had a polycrystalline wurtzite structure, and the excess Sn was found to be a shallow donor. On the other hand, the Sn-rich ZTO films exhibited a rutile structure, where the Zn atom was speculated to replace the Sn site, thereby acting as an acceptor. In the intermediate composition regions (Sn/[Zn+Sn] ratio from 0.28 to 0.48), the ZTO films had an amorphous structure, even after annealing at 450 °C. Finally, the electrical transport properties and photo-bias stability of ZTO TFTs were also examined according to the Sn/[Zn+Sn] ratio. The optimal transport property of ZTO TFTs was observed for the device with an amorphous structure at a Sn/[Zn+Sn] ratio of 0.48. In contrast, the device performance for the ZTO TFTs with either a higher or lower Sn-concentration suffered from low mobility and a high off-state current, respectively. The photo-electrical stress measurements showed that the photo-bias stability of the ZTO TFTs was improved substantially when the ZTO semiconducting films had a lower oxygen vacancy concentration and an amorphous structure. This suggests that the migration of photo-induced VO2+ defects are also critical factors for determining the photo-bias stability of ZTO TFTs, and the amorphous phase with optimal Sn-concentration is desirable for securing the photo-bias stability of ZTO TFTs.