Effects of helium annealing in low-temperature and solution-processed amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin-film transistors

국문 초록 (Abstract)

비정질 인듐-갈륨-아연 산화물 박막 트랜지스터 (a-IGZO TFT)는 디스플레이 장치 및 생체 적합성 응용의 다양한 분야에 전기적, 기계적, 광학적 특성으로 인해 주목을 받고 있다. 특히, 현재 연구는 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 잉크젯 인쇄 방법을 사용하여 대면적 전사 장치에 쉽게 적용할 수 있는 용액 공정 a-IGZO TFT로 전환되고 있다. 하지만 용액 공정 a-IGZO TFT는 우수한 성능과 안정성을 보장하기 위해 고온 소결 공정이 필수적이다. 높은 공정 온도는 공정 복잡성 및 제조 처리량에 영향을 미치기 때문에 저온 용액 공정 a-IGZO TFT 제작이 필요하다.

본 논문에서는 헬륨, 질소 및 산소의 서로 다른 기체를 사용하여 소결 온도가 300 ℃ 의 낮은 저온에서 용액 기반의 비정질 인듐-갈륨-아연-산화물 박막 트랜지스터 (a-IGZO TFT)를 제작하고, 전기적 특성 및 장기적 안정성을 분석했다. 헬륨 분위기 소결 시 서브 밴드갭 영역의 결함 상태 밀도가 낮아져 a-IGZO TFT의 전계 효과 이동도는 산소 및 질소 분위기 환경에서 소결한 것과 비교하여 약 2 배 향상되고, 임계 값 슬로프와 문턱 전압 또한 개선되었다. X 선 광전자 분광 측정은 저온 용액 기반의 a-IGZO TFT의 전기적 특성이 활성 영역의 산소 공공 차이에 의해 채널 길이에 심각한 의존성을 나타내는 것을 보여준다. 또한, 최대 7 일간의 장기적 안정성 측정 시 전계 효과 이동도와 임계 값 이하의 기울기 값이 변화 없이 negative 이동을 보인다. 이를 통해 활성 영역에 본질적으로 전자 밀도가 낮고 상태 결함 밀도가 높다는 것을 알 수 있었다. 저온 용액 기반의 a-IGZO TFT는 산소 공공 형성에 큰 의존성을 띄기 때문에 헬륨 소결 조건 하에서 인듐의 몰 비율을 제어함으로써 해결할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin film transistors (a-IGZO TFTs) are attracting attention due to their electrical, mechanical, and optical properties in various fields of display devices and biocompatible applications. In particular, current research is converting to a solution process a-IGZO TFT that can be easily applied to large area electronic devices using spin coating, spray coating, and inkjet printing methods. However, the solution process a-IGZO TFT requires high temperature annealing treatment to ensure excellent performance and reliability. Fabrication of low temperature solution process a-IGZO TFTs is essential because high process temperature affects process complexity and manufacturing throughput.

In this paper, low-temperature, solution-processed amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin-film transistors (a-IGZO TFTs) with annealing temperatures as low as 300 °C were fabricated using different annealing gases of He, N2, and O2 and their electrical characteristics and long-term stability were analyzed. The field-effect mobility was improved by nearly two times for the a-IGZO TFTs annealed in helium ambient (He sample) in comparison with those annealed in oxygen and nitrogen ambient environments. The subthreshold slope and threshold voltage were also improved for the a-IGZO TFTs annealed in the helium ambient environment due to the low defect density of states in the sub-bandgap region. However, X-ray photoelectron spectroscopy measurements indicate that the electrical characteristics of the low-temperature solution-processed a-IGZO TFTs show severe channel-length dependencies due to the oxygen vacancy variations in the active region. In addition, long-term stability measurements up to seven days reveal that due to the inherently low electron density and high defect density of states in the active region, an increase in the carrier density in the active region induces a large negative shift of the threshold voltage without changing the field-effect mobility or subthreshold slope. It is understood that low-temperature solution-processed a-IGZO TFTs strongly depend on the formation of oxygen vacancies, which can be resolved by controlling the indium mole fraction under a helium annealing condition.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Contents ⅰ
• List of figure ⅱ
• List of tables ⅳ
• Abstract ⅴ
• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1 Background of Thin-film Transistor (TFT) technology 1
• 1.2 Electrical properties of amorphous oxide semiconductor 4
• 1.3 Optical properties of amorphous oxide semiconductor 6
• 1.4 Amorphous InGaZnO (a-IGZO) oxide semiconductor 6
• 1.5 Reference 9
• Ⅱ. Effects of helium annealing in low-temperature and solution-processed amorphous indium-gallium-zinc
• -oxide thin-film transistors 11
• 2.1 Introduction 11
• 2.2 Experiments 13
• 2.3 Results and Discussion 14
• 2.4 Conclusion 32
• 2.5 Reference 33