TFT (Thin Film Transistor)

1

제 3장

TFT (Thin Film Transistor)

TFT Performance and Image quality 1) On current

Speed, uniformity, brightness 2) Off current (Photo-leakage current)

Image storage, flicker

3) Gate-drain (Source-drain) Capacitance Flicker, residual image

4) V_th

Uniformity

3

Transistor

Three-Terminal Device for Switching / Amplifying

1. Bipolar Junction Transistor : Base Current 2. Field Effect Transistor : Gate Voltage

Current Source

Emitter

Gate Base (Voltage) (Current)

Drain Collector

TFT (Thin Film Transistor)

A Field Effect Transistor made of

Non-Single Crystal Semiconductor deposited on

Insulating Substrate

5

MOSFET vs.TFT

First Transistor

7 MOS or MIS structure

S/D: no junction S/D: pn jnuction

Accumulation Inversion

Intrinsin layer Doped bulk

Si Thin Film Si bulk

TFT MOSFET

TFT MOSFET

MOS Capacitor

9

Accumulation Depletion Inversion

11 E_C

E_C E_C

E_F

E_F E_F

E_V

E_V E_V

Band bending profiles

E_C E_C E_C

E_F

E_F

E_F n_DEEP > n_BT n_DEEP < n_BT

Occupancy of states

13

MOSFET

a-Si:H 절연체

E_C E_F E_V -Q

+Q

Q=CV d x

V(x)

s = s₀ exp[ - ( E_C - E_F )/KT ] G= G₀ exp( -E_s /KT )

a-Si:H

t Q

S D

n⁺ ohmic

비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 동작 원리

--- -------- ------ --- --- --- --- --- --- -------- ----- ---

15

TFT 동작 특성

17

비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 동작특성

1. Transfer characteristics I_d - V_g 특성

2. Output characteristics I_d - V_d 특성

3. Field effect mobility characteristics Linear region

Saturation region

19

 Majority carrier n 에 의한 채널 전류

 전류 밀도 J



 



 



 dx

D dn nE

A q

J_n Iⁿ  _{n n}

J_n : The current density I_n: The current

q : A electronic charge

_n : The electron mobility n : The electron concentration E : The electric field

D_n : The diffusion constant

y I n

D W Q E

I  

^{V V V}

C

Q_I   _{i G}  _th  I_D : The drain current

V_G: The gate voltage

C_i : The gate insulator capacitance W : The TFT channel width

V_th : The threshold voltage





C W

dy

I_D   _{n i G}  _th 

y=0 에서 L까지, V= 0에서 V_D까지 적분

 

  

 ²

2 1

D D

th G

n i

D V V V V

L C W

I 

G

S D

V_G

V_D I_DS

비정질 실리콘 박막 트랜지스터의 이동도 측정 회로

포화영역 선형영역

 _{G th} _D

i

DS V V V

L C W

I   

 

2 ^{G th}

i

DS V V

L C W

I   

V_D < 1V

I_DS : The drain current V_D: The drain voltage

C_i : The gate insulator capacitance

 : The field effect mobility

21

23

Glass

Glass Staggered

Glass

Inverted Staggered

Coplanar Inverted Coplanar Electrode Semiconductor

Ohmic layer Insulator s

s s

s

Glass

실리콘 박막 트랜지스터의 구조

Back Channel Etched Structure

Etch Stopper Structure

25

박막트랜지스터 특성에 영향을 주는 요소

27

G

S I_D D

r_D r_S

-- -

-

+ +

V’_DS V_DS V’_GS

V_GS

+

V =V’ + I r

Equivalent circuit of a-Si:H TFT

29

Source Drain

Gate insulator

Rss Rsd

Gate Cgso

Cgsi Cgdi

Cgdo I_d

Cds

Rgs Rgd

a-Si

n⁺

TFT channel

Source Drain

Gate insulator

Gate

a-Si:H TFT equivalent circuit

그림3.9 게이트와 드레인 전압을 함수로 하는 BCE 형 a-Si:H TFT 의 기 생 capacitance.

31

그림3.10 드레인 전압을 함수로 하는 기생 capacitance. 음의 드 레인 전압은 교환된 소스/드레인 전극에 해당한다.

33

 SILVACO사의 ATLAS

 Finite element 방법을 사용

 TFT내의 carrier concentration, potential distribution, field profile, current flow, I- V characteristics, C-V characteristics 등을 simulation

Device simulation

Coplanar TFT의 potential 분포

2.5m 16m 2.5m

Air



Air



Glass(=5.84)

SiNx (=6.5)

a-Si 0.1m

0.35m

700m

n+ n+

0.02m

Coplanar 구조 TFT

Self-aligned TFT의 구조

Need of self-aligned TFT

 G/S overlap distance : pattern misalignment

 Feedthrough voltage shift

 High aperture ratio

 Reduce the number of photo-masks

Methods to fabricate self-aligned TFT

 Lift-off

 Backlight exposure

 Ion-shower doping

 Silicide formation

35 Back-side exposure를 이용한 준자기정렬 방식 비정질실리콘 박막 트랜지스터의 단면도

Ion doping 및 실리사이드를 이용한 완전자기정렬방식 비정질실리콘 박막 트랜지스터 의 단면도

37 Laser annealed n⁺ poly-Si을 이용한 완전자기정렬방식 비정질 실리콘 박막 트랜지스

터의 단면도

Glass

Poly-Si S a-Si

D SOG

Gate

He, H₂, NH₃ and N₂ plasma treatment

S

GATE GLASS

D

a-Si:H

 High photo conductivity

 Low defect states

a-Si:H/SiN_x 계면의 플라즈마 처리 효과

Plasma Treatment

 Smooth interface

 Etching away weak bonds

TFT특성향상

39

Plastic Substrates for LCDs

The advantage of plastic LCDs

 Light weight

 Flexible

 Robustness

 Compactness

 Cost reduction by roll-to roll processing

 Unbreakable

Plastic substrates

 Thermal properties

 Optical properties

 Environmental resistance

 Surface morphology Buffer layer

 SiNx, SiO₂, resin coating

 Protect thermal diffusion

 Balance thermal stress

 Protect scratch, vapor absorption

Deposition & processings

 Maximum temp. 100 ~ 200 ^OC

 Coefficient of thermal expansion

저온 TFT 기술

41

그림 3.14 게이트에 인가된 양 또는 음의 stress 전압에 따른 a- Si:H TFT의 전달 특성 이동. 문턱 전압 이동과 함께 일반적으로 drift mobility 감소가 관찰된다.

그림 3.15 게이트에 인 가된 stress 전압에 대 한 문턱 전압 이동 의 존성. 음의 전압 stress 인 경우 더 강한 의존 성이 관찰된다.

43

그림 3.16 stress 시간의 함수로써 문턱 전압 이동. 의존은 양과 음의 전압 stress 모두에 대해 거의 동일하다. Vg=20V에 대해

△Vt∝t^0.33, Vg=-10V에 대해 △Vg∝t ^0.34 .

45

그림 3.19 작동 시간의 함수로써 a-Si:H TFT의 문턱전압. 게이트 는 20V의 pulsed 바이어스를 보상하기 위해 -20V로 바이어스된 다. pulse폭과 반복기간은 각각 33㎲와 16.6ms로 고정하였다.

47

Amorphous Silicon

Structure : Excellent Short-Range Atomic Order No Long-Range Order

With Defects and Impurities

Gap States : Band Tail States

Deep Defect States (Dangling-Bond)

Advantages

- Deposition: Over large-area

On almost any kind of substrate At below 350℃

- High resistivity (Low off-current) - Excellent Photconductivity

Problems

- Low carrier mobility - Instability (Vth shift)

- Uniform array on large area

- Insensitiveness of Radiation Damage Hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H)

Hydrogen content : 10 ~ 30 at.%, TFT-LCD 에 95 %이상 채용

49 Amorphous Silicon (a-Si) Hydrogenated Amorphous Silicon (a-Si:H)

수소화된 비정질 실리콘

Hydrogenated amorphous silicon a-Si:H

Hydrogen content : 10 ~ 30 at.%

TFT-LCD에 95 %이상 채용

플라즈마 화학기상 증착(PECVD:Plasma Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증착

SiH₄ plasma  고체인 a-Si:H 증착

51

비정질 실리콘의 구조적 특성

다이아몬드 구조의 결정질 실리콘

결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 원자 결합과 에너지 밴드

비정질실리콘의 구조적 특성

● 장거리 질서가 없다.

● 대부분 결합수가 4이다 (수소 본딩은 예외).

● Rigid 구조를 갖는다.

● Bond length : 2.35 Å (5 %); Bond angle : 109.5^o (10 %) Short range order

수소화된 비정질 실리콘 및 실리콘 질화막 증착

● PECVD

● 최적증착조건<350C

기판온도/RF전력/이온 손상

● Cluster tool 장비

● SiH₃ precursor

53

그림 4.1 공유결합원소의 전 자배치. 일반적인 배치는 s 궤 도가 먼저 두 개의 전자에 의 하여 채워지고 p 궤도가 채워 지는 것이다. 그러나, 공유결 합에서는 혼성계가 보다 낮은 에너지를 갖고 있고 결과적으 로 혼성화된 sp궤도들이 나타 난다.

그림 4.2 두 개의 비정질 반도체 의 결합배치. 실리콘과 셀레니윰.

왼쪽에서 오른쪽으로 원자상태, 분자상태, 그리고 고체에서의 준 위가 넓어져 band를 형성하는 것을 보여주고 있다.

55 실리콘 원자 및 결정질 실리콘의 전자 결합

Atom Molecule Solid

P S

SP³ E_F

Antibonding (Conduction band)

Bonding (Valence band)

57

비정질실리콘의 상태밀도

● Band : Extended states

● Gap : Localized states

Localization, Surface states

수소화된 비정질 실리콘의 상태밀도

● 수소화 - Gap states 감소

● 주요 결함 (Defect) : Dangling bond D^o, Sp^{3 :}

● Disorder : Band tail states Bond angle, Bond length

59

도핑된 수소화된 비정질 실리콘에서의 ESR 특성

state g-value △H^pp(0)/G U/eV (Υ/eV^-1)/ESR Conduction

band tail 2.0043 5 ∼0.01 30

Dangling

band 2.0055 7 0.2 7-13

a-Si:H

Valence band tail

2.0100-

2.0138 15-19 ∼0.4 22

61

그림 4.6 a-Si:H gap 내에서의 상태 밀도. 시편은 silane중에서의 phosphine 부 피 밀 도 가 300vppm 로 doped 된 것 #1 과 #3(10 mol % silane in Ar)이고 60vppm으로 doped된 것이 #2(45 mol% silane in Ar)이다. 각각의 박막의 bulk Fermi level은 화살표 로 나타나 있다. 에너지 level들은 전도대 모서리 Ec에 수직이다.

그림 4.7 doping 된 것 과 doping 되 지 않 은 a-Si:H 시편에 대한 활 성화 에너지와 전도도 상 수 σ0 사 이 의 관 계.15 Meyer-Neldel의 법칙을 거의 따른다.

활 성 화 에 너 지 는 doping되지 않은 재료 의 1eV로부터 n형으로 doped 된 시 편 의

63

그림 4.8 (a) 상온 전도도와 (b)불순물첨가 vs a-Si:H의 활성화에너지1. doping된 양 은 silane 에 대 한 phosphine 또 는 diborane 비, NPH3,(NB2H6)/NSiH4, 로 주어진다. 여기서 N은 혼 합기체내의 단위부피당 분 자수를 나타낸다^.

65

수소화된 비정질 실리콘의 광학적 특성

비정질 실리콘에서 광흡수계수의 측정방법 1. 흡수계수가 10^-3 cm^-1 보다 큰 경우 :

광투과도

2. 흡수계수가 10^-3 cm^-1 보다 작은 경우 :

Primary and secondary photoconductivity Photoacoustic spectroscopy

Photothermal deflection spectroscopy Constant photocurrent method (CPM)

그림 4.10 비행 시간 실 험의 (a) 전자와 (b) 홀 드리프트 이동도 그래프.

실선은 이론적인 그림으 로 지수 밴드 꼬리를 가 진 Multiple Trapping Transport Mechanism을 나타내고 있다. 전도대와 가전자대의 캐리어의 이

동 도 는 각 각

67

그림 4.11 Traveling wave 실험의 단면도. α-Si:H막은 LiNbO₃기 판으로부터 약 1μm미만 정도 위에 위치해 있다. 그 간격은 헬륨 가스로 채워져 있다.

그림 4.12 비정질 반도체의 흡수 가장 자리의 세 영역.

영역 A는 Tauc 가장 자리에 해당한다. 이 영역에서 α^1/2 대 에너지의 외삽으로 비정 질 재료의 광학적인 간격을 얻을 수 있다. 영역 B의 지수 꼬리는 Urbach 가장 자리로 불려진다. 영역 C는 약한 흡 수 꼬리이다.^.

69

그 림 3.13 TFT(BCE) 의 photo-current 대 a-Si:H 층 의 두 께 . 5,000lx의 조명은 일반 적으로 밑으로부터의 직접적인 backlight 조 명에 해당한다.

71

그림 4.14 Urbach영역에 서 α-Si:H의 흡수 가장 자 리. 더 높은 Tauc간격를 가지는 막은 낮은 간격을 가지는 막의 200℃에 비해 250℃의 기판 온도에서 성 장시켰다. 수소양은 각각 높은 막과 낮은 막에 대해 14at.%와 19at.%이다^.

비정질실리콘의 밴드갭

● Mobility gap : E_c - E_v

실험적으로 결정하기 매우 어려움

● 광학적 밴드갭

Tauc’s gap : Optical band gap 절편 :

기울기 : B

수소화된 비정질 실리콘에서 적외선흡수

● Vibrational absorption

● Si-H_n Si-H, SiH₂, SiH₃, (Si-H₂)n Si-Si

● 수소량 계산

73

그 림 4.15 230℃ 의 기 판 온 도 와 Ar:5 at%로 희석한 SiH₄로 준비한 시료 α-Si:H의 IR 투과도.

수소화된 비정질 실리콘에서 Si-Hn 진동 모우드의 흡수 주파수

Group Stretching Bending Rocking Mode (cm^-1)

SiH 2000 630

SiH₂ 2090 880 630

(SiH₂)_n 2090 ~ 2100 890, 845 630

75 Si-H_n 결합의 유형에 관련된 진동 모우드와 흡수 주파수

T = (1-R)² exp(- at)/[1 - R² exp(- 2at)]

T = 4 T₀² exp(- at)/[(1 + T₀)² - (1 - T₀)² exp(- 2at)]

C_H = A  a(hn) dhn [at.%cm/eV]

A = 2000 cm^-1 : 910¹⁹ cm^-2 2100 cm^-1 : 2.210²⁰ cm^-2 630 cm^-1 : 2.110¹⁹ cm^-2

•FR-IR로 부터 수소함량 결정

77 Distributed phase Clustered phase

수소화된 비정질 실리콘에서 두 가지의 Si-H 분포 모형도 (○ : silicon, ● : hydrogen)

그림 4.16 α-SiH에 모여 있는 SiH, SiH₂, SiH₃의 진동 모드에 대한 개략도.

채워진 원은 실리콘의 원 자이고 열려진 원은 수소 를 나타낸다. 각 모드에 대해 나타나 있는 파수는 cm^-1 로 표시되는 적외 선 파장에 대응한다

79

비정질실리콘에서 수소의 확산

● Interstitial site

● Disorder 때문에 weak Si-Si bond 존재

● Weak Si-Si bond 사이로 확산 가능 Mobile hydrogen atom

● 증착온도가 증가하면 박막에 포함된 수소량 감소 450 ^oC에서 증착 -> 수소량 < 1 at.%

450 ^oC에서 어릴링 -> 수소량 < 1 at. %

Mobile hydrogen

SiH

Weak bonds

Traps E_HD

H

Diffusion Trap

(a) (b)

81

비정질실리콘에서 준안정성

빛 조사후

● 전기전도도 감소

● Spin 밀도 증가

● Device 특성 변화

TFT의 문턱전압 증가 태양전지의 효율 감소

● Reversible process

200C에서 어릴링 -> 원상태로 회복

수소와 관련

(a) Stable state (b) Metastable state

83

수소화된 비정질 실리콘의 전기적 특성

수소화된 비정질 실리콘의 캐리어 수송 변수

Drift Mobility (cm²/Vs)

Activation Energy

(eV)

Band Mobility (cm²/Vs)

Bandtail Slope (eV)

Electron Hole

< 0.8 10^-3

0.13 0.32

10 0.67

0.027 0.043

(a) (b)

85

1000/T(K^-1)

2.0 2.5 3.0 3.5

LOG CONDUCTIVITY (S/cm )

-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2

E_a=0.83eV

수소화된 비정질 실리콘에서 전기전도도 _d의 온도 의존도

1000/T (K^-1)

2.0 2.5 3.0 3.5

LOG CONDUCTIVITY (S/cm)

-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2

E_a= 0.83 eV

Glass Substrate

Al electrode 100 m

a-Si:H ~ 0.5 m

a

전기전도도 측정 구조

Doping in a-Si:H

Gas phase doping

SiH₄ + PH₃ for n-type SiH₄ + B₂H₆ for p-type Glow discharge

For ohmic contact 1% gas phase doping

87 P나 B가 도핑된 수소화된 비정질 실리콘의 전기전도도 변화

P₃⁰ + Si₄⁰  P₄⁺ + Si₃^- + U B₃⁰ + Si₄⁰  B₄^- + Si₃⁺ + U Li₃⁰ + Si₄⁰  Li₄⁺ + Si₃^- +U

Si

Si

Si

Si Si

Si

P Si

Si

Si Si

Si

Si

P

defect

(a) (b)

89 P₃⁰ + Si₄⁰ 결합과 P₄⁺ + Si₃^- 결합의 에너지 차이

E

Configurational coordinate

U P₃⁰+Si₄⁰

(grounded state)

P₄⁺+Si₃^-

(excited state)

(a) (b)

91

수소화된 비정질 실리콘의 물성

Material constant Typical value

◇ Dark conductivity

◇ Conductivity activation energy

◇ Photoconductivity (AM-1, 100 mWcm^-2)

◇ Optical band gap

◇ Temperature coefficient of optical band gap

◇ Electron mobility

◇ Hole mobility

◇ Carrier diffusion length

◇ Electron affinity

◇ Refractive index

◇ Density

◇ Hydrogen content

◇ Crystallization temperature

◇ Valence band tail slope

◇ Conduction band tail slope

◇ ESR spin density

3×10^-10 S/cm 0.76 eV 1×10^-4 S/cm

1.7∼1.8 eV 2.7×10^-4 eV/K

0.5∼1.0 cm²V^-1sec^-1

1×10^-3∼5×10^-3 cm²V^-1sec^-1

> 1.0 μm 3.93 eV 4.3

2.2 gcm^-3 18 at.%

675 ℃ 42∼50 meV 25 meV

∼10¹⁵ eV^-1cm^-3

A-Si:H TFT

1979년 영국 Dundee 대학

LeComber 가 LCD에 응용을 제안 장점

1. 저온 공정 2. 대면적 가능

3. 게이트 절연막: SiN_x

Low interface states with SiN_x 4. N⁺ a-Si:H, Ohmic contact

5. Low leakage current 단점

1. Low field-effect mobility  Poly-Si 2. High photo sensitive

Photo-leakage current

93

그림 3.3 수소화 비정질 실리콘과 질화 실리콘의 박막을 증착하기 위한 플라스마 CVD 시스템. 사일렌 기체는 a-Si:H 박막을 증착하 기 위하여 rf 진공 용기 안에서 해리되고, 질화 규소를 만들기 위하 여 암모니아 기체와 질소 기체를 첨가한다. a-Si:H를 doping하기 위하여, 포스핀(PH3) 또는 다이보레인(B2H6) 기체들을 진공 용기 안으로 넣는다.

95

그림 3.22 capacitive 전극 에 인가된 rf power에 대한 SiN film의 내부 stress 의 존 성 . deposition 조 건 은 다 음 과 같 다 : SiH4

=15sccm, NH3=90sccm, H2=200sccm, cathode area = 900cm², pressure=1Torr,

Tsub=300℃.

97

그림 3.24 알루미늄 게이트 a-Si:H TFT의 단면. 게이트 절연체는 실리콘 나이트라이드와 알루미늄 옥사이드로 구성되어 있다.

Al₂O₃(=9.2)의 유전상수는 SiN(=6.9)보다 높고, 높은 transcon- ductance가 예상된다.

99

그림 자기 정렬 공정 단 계, 여기에 보여진 lift- off 기술은 자기 정렬된 TFT를 제조하기 위해 언 제나 필요한 것은 아니 다.