OLED용 산화물 TFT

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최근 디스플레이의 동향을 보면 크게 LCD (Liquid Crystal Display)와 OLED (Organic Light Emitting Diode) 가 TV, 모니터, 모바일 등 다양한 분야에서 적용되고 있 다.

그중에서도 OLED 디스플레이는 LCD를 대체할 것 이라고 평가받는 차세대 디스플레이 분야로 OLED가 LCD에 비해 가지는 장점은 Fig. 1에 정리해 놓았다.

모바일 디스플레이 분야에서는 삼성의 갤럭시 시리즈 가 OLED 방식을 채택하였고 TV 분야에서는 2013년 LG 디스플레이가 55인치 OLED TV를 세계 최초로 상용 화시켰다. 또한 SID (Society of Information Display)를 보면 여러 기업에서 다양한 기술을 접목시킨 OLED 디 스플레이들이 발표되고 있다 (Fig. 2).

하지만 OLED 디스플레이가 LCD를 제치고 상용화되 기 위해서는 많은 부분이 개선되어야 하는데, 그 중에서 도 TFT 분야에서 개선되어야 할 부분이 상당부분 존재 한다.

현재 TFT 분야에서 사용되고 있는 반도체의 종류를 크게 나누면 약 3가지 정도로 분류할 수 있다. 우선 LCD 분야에서 널리 쓰이고 있는 비정질 실리콘 (a-Si), 결정질 실리콘 (p-Si), 그리고 산화물 반도체 (Oxide)로 나눌 수 있다.

비정질 실리콘 (a-Si) TFT는 현재 LCD 시장 대부분을 차지하고 있을 만큼 소재의 특성이 우수하고 안정적인 대표적인 물질이다. 이러한 비정질 실리콘은 저온 공정 이 가능하며, 비정질이기 때문에 소자의 균일성이 좋아 서 대면적화에도 유리하다.

하지만, 이동도에 한계 (1 cm

/V

)

가 있고 외부 스트 레스에 대한 신뢰성이 낮기 때문에

, OLED를 포함하여 현재 시장에 나온 다양한 어플리케이션에 적용하지 못하 는 상황이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 나온 대안이 결 정질 실리콘 (p-Si) TFT이다. 결정질 실리콘에서는 레이

OLED용 산화물 TFT

글

_ 정현준, 옥경철, 박진성

한양대학교 신소재공학부

Fig. 1. OLED 디스플레이의 장점.

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저 방식을 이용하여 비정질 실리콘을 결정질로 바꾸는 공정이 추가된다. 이렇게 만들어진 결정질 실리콘은 비 정질 실리콘보다 이동도가 100배 가까이 증가하였고, 신 뢰성 또한 매우 좋아졌다.

하지만, 결정 바운더리의 개 수를 소자마다 조절할 수 없기 때문에, 각각 소자마다의 성능이 제각각으로 나올 수 있다 (균일도의 한계). 따라 서, 각 픽셀마다 보상회로를 설계하여서 각 소자에 걸리 는 전압을 균일하게 조절해주어야 하는 문제가 발생한다.

또한 비정질 실리콘을 결정질로 만들어주는데 사용되는

레이저 방식은 대면적화에서 한계를 갖고 있다.

이렇듯 실리콘 재료는 비정질의 경우에는 신뢰성의 문 제가 생기고, 결정의 경우에는 균일도의 문제가 생긴다.

이러한 문제를 동시에 해결하기 위해서 나온 대안이 산 화물 반도체이다.

산화물 반도체의 장점은 (Fig. 3) 우선 박막이 비정질 로 자라기 때문에 결정질 실리콘과 같이 보상회로가 필 요하지 않고, 대면적화가 가능하다는 점이다. 거기에 동 일하게 비정질로 자란 실리콘에 비해서 높은 이동도를 가지며, 낮은 공정온도를 가진다. 또한, 산화물 반도체는 밴드갭이 크기 때문에 (E

> 3eV) 가시광선 영역에서 투 명하기 때문에 추후 새로운 응용분야를 창출 할 것으로 기대하고 있다.

2004년 Hosono et al.이 비정질의 In-Ga-Zn-O 산화물 반도체를 보고한 이후로

산화물 반도체에 대한 연구는 수 없이 진행되어 왔다. 비정질 구조의 산화물이 결정질 의 산화물과 비해 전기적 특성이 크게 차이나지 않는 이 유는 오비탈 구조에 있다 (Fig. 4). 기본적으로 산화물은 전이금속과 산소의 결합으로 이루어져 있는데, 산소는 최외각 전자를 2p state에 가지고 있으면서 전자를 공급하 는 역할을 한다. 전이금속의 경우에는 최외각 전자가 ns state에 있는데, 이 전이금속의 ns오비탈은 구형이기 때 문에, 방향성이 존재하지 않는다. 따라서, 결정질이 비정 질로 바뀌더라도, 방향성이 존재하지 않는 ns 오비탈 때 문에 전기적 특성이 크게 달라지지 않는다.

우선, 대표적으로 InGaZnO에서 각 전이금속별 전기 적 특성에 관하여서는 이미 보고되어 있다.

Nomura et

Fig. 3.

산화물 반도체의 장점

play UHD OLED Curved TV (우) : Samsung Display UHD OLED TV.

al.은 각 전이금속이 소자에 미치는 전기적 특성을 분석해 보고자 ZnO, Ga

O

, In

O

의 서로 다른 3가지의 산화물 타겟을 이용한 실험을 하였다. Fig. 5에 각 전이금속들의 성분비에 따른 이동도와 캐리어 농도를 비교하였다.

Fig. 5에서 괄호 앞의 값은 hall 이동도를 나타내고 있 으며, 괄호 안은 캐리어 농도를 나타낸다. Fig. 5를 보면 In과 Zn의 경우에는 비율이 증가하게 되면 이동도와 캐 리어 농도가 증가하는 경향을 보인다. 이들은 캐리어를 제공하여 이동도를 증가하게 하는 효과를 낸다. 반면에, Ga의 경우에는 Ga의 비율이 증가하게 되면 이동도가 감 소하고, 캐리어 농도가 감소하는 경향을 나타나게 된다.

이는, Ga-O 결합이 In-O 결합이나 Zn-O 결합보다 강하

기 때문이다.

따라서, Ga이 산소와 결합하여서 산소의 공공을 방지하여 캐리어 농도의 증가를 억제 시키면서 소자 특성을 안정 시켜준다. 여기서 주목해야 할 점은 서 로 이동도의 증가와 안정성의 측면에서 조성에 따른 상 호 trade off가 존재하기 때문에 재료적인 측면에서 이를 해결하기 위한 노력들이 시도되었다.

여러 가지 주요한 대체물질들을 선택하기 위해서는 물 질자체의 가격과 물리적, 화학적 안정성 뿐만 아니라 친 환경성에 대해서도 고려하여야 한다. In, Ga, Ge, Ag, Au의 경우에는 희토류 금속이기 때문에 가격이 상당히 비싼축에 속한다. 그리고 In, Cd, Hg, Ti, Pb의 경우에는 독성이 존재하기 때문에 타겟을 만들 때 환경에 좋지 않 은 영향을 미칠 수 있다. 또한, Cu, Ag, Au의 경우에는 물리적 특성이 반도체의 특성을 가질 수 있는지 의문이 존재한다. 따라서, In 혹은 Ga를 대체할 다른 물질을 찾 으려는 시도들이 많이 이루어졌다.

Fig. 6은 주기율표 중에서 산화물 반도체에서 주로 사 용하는 원소 및 전이금속이 속해있는 곳 일부를 나타낸 표이다. In과 Ga를 대체하기 위해서 사용된 대표적인 원 소는 Zr

, Hf

, La

, Si

, Mg

, Sn

, Al

등이 있다.

산화물 반도체는 OLED 분야에서 주로 대면적 디스플 레이에 주로 사용하고 있다. 현재 양산중인 LG 디스플레 이의 OLED TV를 비롯하여 Sharp, AUO 등도 산화물 반 도체 TFT를 이용한 OLED TV를 만들고 있다. 하지만, 중, 소형 디스플레이 분야에서는 아직 산화물 반도체를 정현준, 옥경철, 박진성

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Fig. 5.

각 전이금속의 성분비에 따른 소자의 이동도와 캐리어 농도

의 비교

Fig. 4.

산화물반도체의 오비탈구조

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사용하기에는 큰 어려움에 직면하고 있다. 구체적으로 작은 화면에 고해상도를 구현하기 위해서는 픽셀 하나당 크기는 작아지며 밀도 또한 높아져야 한다. 그에 따라서 픽셀 내에 들어가는 TFT 역시 작아지게 되면서 고이동 도를 가지는 반도체 재료가 크게 요구된다. 산화물 반도 체의 경우 중, 소형 디스플레이에 적용될 만큼의 높은 이 동도를 가지고 있지 않기 때문에 산화물 반도체 대신 LTPS (Low-Temperature Poly-Silicon)를 사용하는 추세 이다.

또한, OLED 디스플레이에 사용되는 TFT의 경우에는 신뢰성이 중요한 요소로 작용한다. OLED 픽셀에 들어 가는 TFT의 경우 LCD와 다르게 스위칭 (Switching)의 역할만 하는 것이 아닌 드라이빙 (Driving)의 역할도 해 주어야 하기 때문에 소자의 On/Off 상태의 신뢰성 모두 중요한 요소가 된다. 따라서 산화물 반도체가 OLED 디 스플레이 TFT의 선두 재료가 되기 위해서는 이동도와 신뢰성이 모두 개선되어야 할 것이다.

이동도 관점에서의 산화물 TFT

OLED용 산화물 관점에서 이동도 (Mobility, µ )는 픽 셀 구동에 있어서 중요한 관점이다.

LCD의 경우에는 화면 뒤에서 나오는 백색광이 액정 을 통과하면서 빛의 세기가 조절되는 방식이다. 이 때 액 정은 전압에 의해서 액정 방향을 정렬하게 된다.

하지만, OLED의 경우에는 조금 다르다. LCD와 다르 게 소자가 자발광을 하게 되는데, 이 때 밝기는 전류에 의해서 조절이 된다.

이러한 전류구동은 전압구동과 다 르게 매우 미세한 양을 조절해주어야 한다. 하지만,

OLED의 이상적인 회로인 2T1C (2개의 트랜지스터와 1 개의 캐패시터)만으로는 조절이 불가능하다. 따라서, 한 픽셀 내에 보상회로가 들어가게 되는데(Fig. 7)

, 보통 5~6개의 트랜지스터와 1~2개의 캐패시터가 한 픽셀을 이루게 된다. 이렇게 한 픽셀 내에 여러 보상회로가 들어 가게 되면 자연스럽게 한 픽셀에서 나오는 빛의 양은 줄 어들 수밖에 없다. 그에 따라 OLED 발광 소자가 내야 하는 빛의 세기는 자연스레 증가하게 된다.

빛의 세기가 증가해야 한다는 것은 짧은 시간 내에 흘 러야하는 전류의 세기가 증가해야 한다는 것을 의미한다.

하지만 이동도가 낮다면 짧은 시간 내에 많은양의 전류 가 흐르지 못하게 될 것이다.

또한, 최근에는 디스플레이가 고해상도, 그리고 프레임 수의 증가 (60 Hz → 120, 240 Hz, 프레임 : 픽셀이 1초 동안 On되는 횟수)에 따라서 한 픽셀이 한 번에 충전할 수 있는 시간이 점점 더 짧아지고 있다. 점점 더 고이동 도 TFT의 중요성이 부각되는 부분이다.

화면의 크기 혹은 프레임 수, 해상도의 차이에 따라서 다르지만, 현재 디스플레이 분야에서 산화물 반도체 TFT 에 요구하는 이동도는 TV를 기준으로 할 때 30 cm

/Vs 이상을 요구하고 있다.

많은 연구자들이 고이동도 산화물 TFT를 얻기 위해서 많은 연구를 진행하였는데, 재료적 관점에서도 살펴보았 듯이 신뢰성까지 동시에 높이면서 고이동도 TFT를 얻는

Fig. 7. OLED픽셀 내의 여러 보상 회로들(삼성 디스플레이, 5T2C).¹⁷⁾ Fig. 6. 주기율표 중 일부분(파란색: 현재 산화물 반도체에 사용하

는 대표적인 원소, 빨간색: In혹은Ga를 대체할 원소)

것은 쉽지 않은 일이다.

Oh et al.

은 IZO의 성분을 바꿔가면서 소자의 성능 을 테스트하는 실험을 진행하였다. In이 증가할수록 소 자의 성능이 좋아지는 것을 확인할 수 있었다 (In 비율:

0.52→ 0.85, 이동도 7.2 cm

/Vs → 41.0 cm

/Vs, 스윙값 0.42 V/decade → 0.20 V/decade). 하지만, 신뢰성은 문턱 전압의 변화가 최대 -7.9 V까지 변화함으로써 신뢰성이 많이 좋지 않음을 관찰할 수 있었다 (NBIS 신뢰성, V

= V

-15 V, V

= 10 V, 스트레스 시간 = 2000초, 빛의 세기 : 1.5 mW/cm

, 빛의 파장 : ~ 600 nm).

그런데, 반도체 층을 두 층으로 나누어서 쌓은 실험에 서는 단일 층으로 쌓았을 때보다 소자의 성능은 크게 차 이 나지 않으면서 소자의 신뢰성이 크게 좋아지는 결과 를 얻었다.

Kim et al.

은 HIZO, IZO 두 반도체 소자로 적층구 조를 만들어 소자의 성능과 신뢰성을 모두 향상시켰다.

HIZO 소자는 신뢰성은 좋지만, 소자의 성능이 IZO 소자 에 비해서 떨어진다.

반대로 IZO 소자는 소자의 성능 은 월등하지만, 신뢰성이 나쁘다는 단점이 존재했다.

이 두 소자를 HIZO/IZO 적층구조로 만들어주고 소자의 성능과 신뢰성을 측정하였다. 소자의 이동도는 43.24 cm

/Vs가 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 8 과 같이 IZO와 HIZO/IZO의 NBIS 커브를 측정한 결과 NBIS 신뢰성 역시 눈에 띄게 좋아짐을 확인할 수 있었 다.

또한, 비정질 산화물이 아닌 결정질 (Polycrystalline)

의 산화물을 만들어서 소자의 이동도를 높이는 보고도 있 다.

주로 전극으로 쓰이는 Indium-Tin-Oxide를 열처리 조건을 고압의 산소로 진행시켜서 IZGO 대비 높은 이동 도를 얻는 실험 (> 20 cm

/Vs)도 보고되었다.

산소의 압력을 상압보다 높게 (2.5 atm, 5 atm) 해줌으로써 소자 의 이동도와 신뢰성 모두 개선되어졌다.

Kim et al.

은 ZnO에 질소를 도핑함으로써 소자의 이동도와 신뢰성을 향상시키는 실험을 진행하였다. 본래 ZnO는 음의 전압이 스트레스로 걸려 있을 때, 빛을 쬐여 주면 Off 상태일 때의 신뢰성이 좋지 않음을 이미 앞 실 험에서 볼 수 있었다.

하지만, ZnON의 경우에는 다르 다. Fig. 9 (좌)를 보면 ZnO의 경우에는 밴드갭이 약 3.2 eV정도로 넓은데 그 밴드갭에 산소 공공 (Vacancy) 밴 드가 자리를 하고 있다. 산소 공공은 캐리어를 공급해주 는 역할을 하게 된다. 하지만 이 공공 신뢰성에 영향을 주는 역할을 하기도 한다.

이제 ZnO에 질소를 도핑하게 되면 ZnO의 가전자대역 (Valence band)의 에너지가 올라가게 된다. 이 때 산소 공공이 위치하고 있는 위치를 뛰어넘어서 위치하게 된다.

따라서, 소자의 신뢰성이 좋아지는 경향을 보인다.

ZnON의 이동도는 V

= 10 V일 때 40 cm

/Vs 이상 을 보인다. 그런데, 산소 공공이 캐리어를 공급해주지 못 하게 되면 자연스레 캐리어 농도는 줄어들게 된다. 하지 만 이동도는 40 cm

/Vs 이상을 보여주고 있다. 그 이유는 전도대역 (Conduction band) 구조에 있는데, 전자의 이 동도는 전도대역의 곡률에 반비례하는 경향을 보인다.

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Fig. 8. (좌) : IZO소자의NBITS신뢰성 커브. (우) : HIZO/IZO적층 소자의NBITS신뢰성 커브. (조건:

스트레스 시간

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Fig. 9(우)를 참고하면, ZnON이 ZnO에 비해서 곡률이 작 기 때문에 캐리어 농도가 낮아지더라도 이동도는 그에 상응하지 않았던 것이다.

이렇듯 고이동도 산화물 TFT를 만들기 위해서 여러 그룹들이 연구를 진행하였다. 다음으로는 신뢰성 관점에 서의 산화물 TFT에 대해 논의해 보겠다.

신뢰성 관점의 산화물 TFT

OLED용 TFT의 특성중 또 다른 이슈는 신뢰성에 대 한 부분이다. OLED용 TFT에 쓰이는 소자들은 LCD용 TFT보다 신뢰성 부분이 보다 중요하게 작용한다. Fig.

10은 OLED와 LCD의 픽셀구조를 나타낸 것이다. Fig.

10을 보면 LCD용 TFT의 경우에는 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터 (Capacitor)로 구성되어있다. 1개의 트랜 지스터는 스위칭 기능을 담당하는 TFT가 놓여진다.

LCD의 구동 원리상, 트랜지스터가 On 상태에 있는 경 우보다는 대게 Off 상태로 놓여져 있는 경우가 대부분이 다. 따라서 LCD용 TFT의 경우에는 Off 상태의 신뢰성 만이 주요한 특성이었다.

하지만, OLED용 TFT의 경우에 이상적인 회로는 2개 의 트랜지스터와 1개의 캐패시터로 구성되어있다. 이 때, 하나의 TFT는 LCD와 마찬가지로 스위칭을 담당하지만, 다른 하나의 TFT는 드라이빙 (Driving)의 기능을 담당하 게 된다. 따라서, Off 상태의 신뢰성도 중요하지만, On

상태의 신뢰성도 이제는 중요히 생각해야하는 부분이 되 었다. 이는 드라이빙 TFT의 문턱전압이 약 0.1 V 변화 하면, 그에따른 OLED 소자의 밝기는 약 20% 변화하는 것으로 알려져 있기 때문이다.

소자의 신뢰성에 영향을 주는 요인으로는 크게 두 분 류로 나눌 수 있다. 하나는 소자의 구조에 의해서 생기는 신뢰성이 있고 나머지 하나는 외부에서 가해지는 스트레 스에 의해서 생기는 신뢰성이 있다. 우선 소자의 구조에 의해 생기는 신뢰성을 논의한 후 외부 스트레스에 의한 신뢰성을 논의 할 수 있다.

Fig. 11을 보면 소자를 만들 시에는 여러 가지 적층구 조가 들어가게 되는데, 그 중 패시베이션 층과 게이트 절 연층이 신뢰성과 연관되어 있다. 패시베이션 층은 반도 체 층 위에 올라가는 층으로 반도체 층이 외기 (H

O, O

, H

등)에 노출되어서 트랩 사이트가 생성 되어서 문 턱전압의 변화를 막아주는 역할을 한다.

Fig. 10. LCD

구동회로와

의

그림

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Fig. 12 처럼 만약 패시베이션 층이 없다고 가정을 한 다면

게이트 전극에 + 전압이 걸릴 때 (+ 30 V), 반도 체 층에는 전자가 많이 모이게 될 것이고, 그중에 일부 전자들은 반도체 층 표면에서 외기 (특히 O

)와 반응을 일으키게 된다 (O

+e- ⇔ O-

). 만약 전자의 농도가 증가하게 되면, 반응식의 평형에 의해 산소이온의 수는 더 증가하게 될 것이다. 즉, 외기에 존재하는 O

가 트랩 사이트로 작용을 하게 되고, 그에 따라서 소자를 동작시 키기 위해서는 더 높은 양의 전압을 걸어주어야 하게 된 다.

반대로, 게이트 전극에 - 전압이 걸리게 된다면 (- 30 V), 반도체 층에는 정공이 많이 모이게 될 것이고, 그중 에 일부 정공들은 반도체 표면에서 H

O와 반응을 일으 키게 된다.

(H

O

+h

⇔H

O

) 위와 마찬가지의 경우로 정공의 농도가 증가하게 되면, 평형은 오른쪽으로 이동하게 될 것이고, 이에 따라서 H

O가 트랩 사이트로 작용하게 된 다. 따라서 소자가 작동하기 위해서는 더 높은 음의 전압 을 걸어주어야 한다.

게이트 인슐레이터 층은 게이트 전극과 반도체 층에 사이에 깔리는 층으로 반도체 층에캐리어들이 모이게 하 는 역할을 한다. 게이트 인슐레이터 층에서의 신뢰성은 층에서 홀 트래핑 (Hole trapping)하는 현상관 관련이 있 다. 이는 추후에 광 신뢰성과 밀접한 연관이 있다.

패시베이션은 외기의 영향을 차단하는 역할을 하기 때 문에, 외기에 대한 투과율이 절대적으로 낮아야 한다.

그렇다면, 패시베이션 층의 유무에 따라 소자의 특성 이 얼마나 바뀌는 것인지 실제 연구를 통하여 살펴보겠 다.

Yang et al.

은 Al-Sn-Zn-In-O 소자를 패시베이션 층 을 만들지 않은 소자(A)와 만든 소자(B)의 전압 신뢰성 과 광 신뢰성에 대해서 측정하였다. 패시베이션 층은 Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition (PEALD) 방 식으로 40 nm 증착하였다. 추후 열처리를 250° C에서 진 행하였다.

Fig. 13을 보면 A와 B 소자를 스트레스 조건을 달리하 여서 실험을 통해 얻은 신뢰성 커브다. 스트레스 시간은 네 실험 두 10000초로 동일하고, 전압 역시 네 소자 모두 -20 V에서 동일하게 진행되었다.

우선 실험을 시작하기 전에 측정한 A의 소자 파라미 터는 이동도 31.4 cm

/Vs, 문턱전압 0.63 V, 스윙값이 0.14 V/decade이고, B의 소자 파라미터는 A와 크게 차이나지 않지만 문턱전압이 0.77 V, 스윙값이 0.09 V/decade가 나 왔다.

우선 (a)와 (b)를 비교하면, 큰 차이는 존재하지 않지 만, 패시베이션을 한 소자가 그렇지 않은 소자에 비해서 신뢰성이 더 좋은 커브를 얻는 것이 확인되었다. 이제, (c)와 (d)를 비교해보면, 확연한 차이를 발견할 수 있다.

패시베이션을 한 소자의 경우에는 문턱전압의 변화가 0.72 V밖에 되지 않았으나, 패시베이션을 하지 않은 소 자는 문턱전압의 변화가 무려 11.5 V나 관찰되었다. 이 는 패시베이션 층이 소자 신뢰성에 지대한 영향을 미친 다는 것을 알 수 있는 실험이다.

다음으로는 외부 스트레스에 대한 신뢰성에 관하여 설 명을 하자면, 앞의 실험에서 잠시 언급되었지만 외부 스 트레스에는 여러 가지가 존재한다. 우선 전압에 의한 스

Fig. 11. 반도체 적층구조와 신뢰성을 높이기 위한 패시베이션/게이트 인슐레이터의 조건.

Fig. 12. 양/음 의 전압에 따른 반도체층과 외기(O2, H2O)와의 반응 도식표.²⁴⁾

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트레스 (Bias Stress), 온도에 의한 스트레스 (Temperature Stress), 빛에 의한 스트레스 (Illumination Stress) 등이 존재한다.

전압에 의한 스트레스는 소자는 게이트 전압에 의해 켜지고 꺼지는 트랜지스터이기 때문에 오랜시간 전압에 노출되다 보면 본래의 소자의 특성을 잃어버릴 수 있는 것이다. 따라서 전압에 의한 스트레스를 측정할 필요가 있다.

온도에 의한 스트레스는 소자가 오랜시간 작동하다 보 면 회로의 저항등에 의해서 열이 발생하게 되는 것이다.

열 역시 전압처럼 에너지를 가지는 성분이기 때문에 열 역시 소자의 특성에 변화를 줄 수 있는 요소가 될 수 있 다. 따라서 온도에 의한 스트레스 또한 측정할 필요가 있 다.

빛에 의한 스트레스는 디스플레이에 적용될 시 트랜지 스터는 항상 빛에 의해 노출되어 있는데 빛 또한 에너지 를 가지고 있기 때문에, 소자의 본래 특성에 변화를 가져 올 수 있는 요소임이 분명하다.

Fig. 14를 보면 신뢰성 분석에 대한 개요도를 보여주 고 있다. 신뢰성 측정시에는 변수를 하나만 하는 경우보

다는 변수를 여러 개 설정하여서 측정하는 것이 일반적 이다. 그 이유는 보통의 우리가 사용하는 제품은 전압, 온도, 빛 모두 고려를 해주어야 하기 때문이다.

단순히 전압으로만 스트레스 측정을 하는 경우에는 양 의 전압, 음의 전압의 차이에 따라서 NBS (Negative Bias Stress), PBS (Positive Bias Stress)로 나뉜다. 그 다 음에 전압에 온도 스트레스까지 동시에 가해주는 경우에 는 NBTS (Negative Bias Temperature Stress), PBTS (Positive Bias Temperature Stress)로 나뉜다. 전압과 빛 에 대한 영향을 측정하는 경우에는 NBIS (Negativ Bias Illumination Stress), PBIS (Positive Bias Illumination Stress)로 나뉘고, 마지막으로 세 가지의 영향을 모두 보 는경우에는NBITS (Negative Bias Illumination Temperature Stress), PBITS (Positive Bias Illumination Temperature Stress)로 나뉘게 된다.

신뢰성 역시 다양한 그룹에서 연구를 진행하였다.

Cross et al.

은 가장 기본적인 전압 스트레스에 의한 ZnO 소자의 신뢰성 변화를 측정하였다. p 타입 실리콘 기판 위에 ZnO를 rf 스퍼터링을 통해 증착한 후 -30 V의 전압 스트레스를 1시간 동안 인가하였다. 스트레스 인가 후에 15분 동안 회복 시간을 주게 한 뒤 다시 트랜스퍼 커브를 측정하였다. Fig. 15(좌)을 보면 소자의 문턱전압 이 시간이 지남에 따라 점점 왼쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 전압 스트레스에 의해 소자가 열화 (Degradation) 되어서 소자의 신뢰성이 많이 나빠짐을 알 수 있다. 하지만, 시간이 지남에 따라서 어느정도 회 복하는 것을 확인할 수 있다.

Liu et al.

은 IZO 소자의 신뢰성 변화를 진공과 상압

Fig. 14.

신뢰성 분석 방법 개요도.

Fig. 13. (a) : 음의 전압을 가하였을 때의(NBS, Negative Bias Stress)

소자

음의

전압과 빛을 동시에 가하였을 때의

소자의 신뢰성 커브

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상태에서 측정하였다. 진공상태는 2×10

torr, 전압은 +30 V/-30 V을 3시간동안 가해주었다. Fig. 15(우)는 시 간에 따른 문턱전압의 변화를 보여주는 그래프이다. 이 역시 전압 스트레스 시간에 따른 문턱전압의 변화가 눈 에 띄게 발견된다. 한 가지 흥미로운 점으로 진공을 사용 하여서 외기에 대한 영향을 거의 차단하고 실험하였을 때는 상압에서 측정하였을 때보다 소자의 열화가 덜 진 행된다는 점을 발견할 수 있었다.

다음으로는 전압과 온도 스트레스에 대한 소자의 신뢰 성 (BIS)을 측정한 실험이다. Shin et al.

은 ZnO 소자 의 NBIS에 대해서 실험을 진행하였다. 신뢰성 측정은 On 상태 (+ 10 V의 전압)일 때와, Off 상태 (- 10 V의 전압)일 때를 비교하였고 전압과 빛을 걸어주는 시간은 12시간, 빛은 가장 세기가 센 곳 (peak)의 파장이 540 nm, 파장의 범위는 515 nm부터 555 nm인 가시광선 영 역의 빛이고 파장의 세기는 0과 1m W/cm

을 사용하였 다. Fig. 16은 전압의 종류와 빛의 세기에 따른 ZnO 소 자의 신뢰성 커브를 나타내고 있다. ZnO 소자가 전자를 메이저 캐리어로 삼는 n형 반도체이기 때문에 양의 전압 이 걸리는 경우가 On 상태가 되고, 음의 전압이 걸리는 경우가 Off 상태가 된다. 한 가지 눈에 띄는 점은, On 상 태일 때의 소자에서는 빛의 존재와는 관계없이 소자의 신뢰성이 큰 변화를 나타내지 않지만, Off 상태일 때의 소 자에서는 빛이 들어감에 따라서 시간에 따른 소자의 커 브가 눈에 띄게 변화하는 것을 볼 수 있다.

이러한 현상은 빛에 의해 생성된 캐리어 중에 정공이 게이트 절연체나 계면에 트랩되는 현상에 의해서 발생한 다. 소자가 빛을 받으면 빛 에너지에 의해서 전자와 정공 캐리어가 동시에 생성된다. 이 때 ZnO의 경우에는 n타입 의 소자인 ZnO는 On 상태일 때는 전자가 메이저 캐리어 (Major Carrier)가 되고, 정공의 경우에는 마이너 캐러어 (Minor Carrier)가 된다. 반대로 Off 상태에서는 메이저 캐 리어는 정공이 되고, 마이너 캐리어는 전자가 된다.

Fig. 15. (좌) : ZnO소자의NBS

테스트

회복시간

테스트

스트레스 시간

Fig. 16. (a): On상태/빛이 없을 때의 신뢰성 커브(b) : On상태/빛

이 있을 때의 신뢰성 커브

신뢰성 커브

CERAMIST

OLED용 산화물 TFT

On 상태에서는 전류의 흐름을 전자가 결정하게 된다.

빛에 의해 발생된 정공 캐리어가 트랩 사이트에 캡쳐되 려 하지 않는데, 그 이유는 게이트 전극이 양의 전압이 걸려있기 때문에 정공을 트랩시키지 않고 멀리 보내버리 기 때문이다. 따라서 On 상태에서는 빛에 의한 소자의 신뢰성 커브가 크게 변화를 보이지 않는다. 하지만, Off 상태에서는 정공이 전류의 흐름을 결정짓는데, 빛에 의 해 발생한 정공 캐리어가 트랩 사이트에 잡혀버리면 전 류의 흐름을 책임져야 할 캐리어가 움직이지 못하게 되 고, 따라서 문턱전압이 심하게 움직이게 되는 것이다.

Chowdhury et al.

은 IGZO의 광 신뢰성과 전압-광 신뢰성을 측정하였다. 산화물 반도체에서 어느정도 안정 적인 구조로 손꼽히는 IZGO도 광 신뢰성에서는 취약한 것이 드러났다. 따라서, 산화물 반도체로 소자를 만들 시 에는 반드시 소자에 빛이 도달하지 않도록 보호해줘야 소자를 안정적으로 구동 할 수 있다.

다음으로는 전압과 온도의 스트레스에 대한 신뢰성 (NBTS)을 측정한 실험이다. Park et al.

은 GIZO 소자 를 이용하여 NBTS와 PBTS에 대한 실험을 진행하였다.

GIZO 소자는 Ga

O

/In

O

/ZnO 타겟 조성비를 1:1:1 몰 분율로 만든 타겟으로 제작하였다. 패시베이션은 SiO

200 nm로 제작하였고 게이트 절연층도 SiO

100 nm로 제작되었다.

Fig. 17은 GIZO 소자를 가지고 PBTS와 NBTS를 측 정한 그래프이다. 신뢰성 측정시 시간은 11000초를 가해 주었다. 온도는 60° C로 주었고, 전압은 PBTS시 +20 V, NBTS시 -10 V를 주었다. 드레인 전압은 10.1 V로 고정 하였다. 그림에서도 보다시피 소자의 큰 변화는 관찰되 지 않았지만, 시간의 흐름에따라 소자가 열화되는 현상 을 발견할 수 있었다.

마지막으로 빛, 열 그리고 온도까지 모든 외부 스트레 스를 동시에 가하여 실험을 진행한 실험이다. Kwon et al.

은 GIZO 소자를 적층구조를 달리하여 (Fig. 18) 소 자의 신뢰성을 측정하는 실험을 진행하였다.

만든 두 소자는 ES (Etch Stopper) 형태의 소자와 BCE (Back Channel Etch) 형태의 소자이다. 두 소자의 차이 는 반도체 층과 패시베이션 층 사이에 Etch Stopper층을

넣어주면 ES 형태의 소자가 되고, 넣어주지 않으면 BCE 형태의 소자가 되는 것이다. 이번 실험에서는 ES층에 SiO

200 nm를 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)로 증착해주었고, 패시베이션 역시 SiO

200 nm를 PECVD로 증착하였다. GIZO는 스퍼터링으로 70 nm를 증착하였다. Fig. 19는 각기 다른 두 소자의 NBITS 신뢰성을 측정한 그래프이다. 스트레스는 총 3시간동안 V

= -20 V, V

= 10 V, 빛의 세기는 180 lm/m

으로 가 해주었다.

Fig. 19 (좌)가 BCE 형태의 소자, (우)가 ES 형태의 소 자다. 두 그래프 모두 스트레스를 받음에 따라 신뢰성 커 브가 왼쪽으로 움직이는 경향을 보이기는 하지만, Etch Stopper층이 존재하는 소자가 그렇지 않은 소자에 비해서 소자의 신뢰성이 더 안정적으로 나오는 것이 확인되었다.

ES 형태의 소자는 시간이 지남에 따라 문턱전압이 약 - 3.5 V정도 변하는 반면에, ES 형태의 소자는 시간이 오 래 지나도 문턱전압의 변화가 -0.8 V밖에 되지 않는다.

패시베이션 물질을 바꿔가면서 소자의 신뢰성을 측정 한 실험도 있다. Kim et al.

은 패시베이션 층을 다양한 물질 (SiO

SiON

SiO

/SiON

)로 증착한 후 소자의 NBITS 를 측정하였고, Lee et al.

은 패시베이션 층을 올리지 않은 채 공기중의 습도까지 조절하여서 소자의 NBTIS 를 측정하는 실험을 진행하였다.

Fig. 17. (좌) : GIZO소자의NBTS

측정 그래프

측정 그래프

(VG= -10V/+20V, VD= 10.1V, 스트레스 시간: 11000초).

Fig. 18. (좌) : BCE구조의TFT (우) : ES구조의TFT

개요도

정현준, 옥경철, 박진성

특 집

CERAMIST

본고에서는 최근 AMOLED용 백플레인용 산화물 반 도체의 핵심 개발 이슈와 진보 방향에 대해 요약하였다.

현재까지 산화물 반도체의 많은 문제점들이 개선되었지 만, 고이동도와 신뢰성을 동시에 만족해야 하는 시점에 서 아직까지도 많은 부분에서 해결해야 할 숙제들이 많 이 남아있는 실정이다. 그럼에도 불구하고 소자의 특성 열화 기구의 이해와 재료의 다양한 분석들은 빠르게 이 루어지고 있다. 앞으로 산화물 반도체를 이용한 AMOLED는 첨단 디스플레이 산업에서 핵심 요소로 휴 대가 간편하고, 충격에도 쉽게 깨지거나 부서지지 않는 유연 전자소자 등의 정보기기에 많은 응용이 될 것으로 기대되고 있다.

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15. D. H. Cho, S. Yang, C. Byun, J. Shin, M. K. Ryu, S. H. K. Park, C. S. Hwang, S. M. Chung, W. S.

Fig. 19. (좌) : BCE(Back-Channel Ecth)

형태의

소자의

신뢰성 커브

우

소자의NBITS

신뢰성 커브

CERAMIST

OLED용 산화물 TFT

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정현준, 옥경철, 박진성

특 집

CERAMIST

정 현 준

2014년 한양대학교 신소재공학부 학사 2014년 한양대학교 신소재공학과 석·박사 통합과정

박 진 성

1997 KAIST 재료공학과 공학사

1999~2002 KAIST 재료공학과 공학석사/박사 2003~2005 Harvard 대학, Post Doctor 2005~2008 삼성 SDI, 중앙연구소, 책임연구원 2008~2009 삼성 모바일디스플레이, 기술센터,

책임연구원

2009~2013 단국대학교 신소재공학과 조교수 2013~현재 한양대학교 신소재공학부 부교수

옥 경 철

2011년 단국대학교 신소재공학부 학사 2012년 단국대학교 신소재공학부 석사 2013년 한양대학교 신소재공학부 박사과정