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Oxide Semiconductor-Based Thin-Film Transistors with Electrical and High Energy Stress Stability

초록

Regarding the trend in recent display research, as the demand for high-end display technology increases along with the growth of flexible mobile devices and VR technology, research on next-generation display materials is becoming more important. Among them, metal oxide transistors are one of the next-generation display materials that are currently commercialized in the backplane of LG and Samsung displays, in which the transistor of the backplane is an important component that acts as a switch and controls the on/off of each pixel of the display. In particular, recent studies have been fabricating the semiconductor layer through a solution process such as spin coating for low-cost, large-area process and application to flexible substrates. Such devices demonstrate high mobility with low power consumption due to its low off current. Also, the excellent uniformity of the amorphous thin film leads to the advantage of high electrical uniformity of the devices. Due to these advantages, metal oxide semiconductors have the potential to be utilized not only for displays but also for various purposes and environments, and accordingly, operation stability of the devices is being emphasized. In modern society, electronic devices are widely used from displays to safety-critical medical devices and mission-critical space exploration. Here, performance deviation of the devices induced by stability issues may cause serious errors in the electronic equipment, which may lead to major economic loss or safety accidents. Therefore, in order to enhance the reliability of the devices, operation stability must be secured. In this study, two main approaches were taken to improve device stability against electrical and high energy stress: i) improvement of bias stress stability via the employment of organic passivation layers, and ii) enhancing operation stability through an materials engineering approach of the semiconductor layer. First, the microstructure of organic passivation layers were controlled to achieve high bias stability of metal oxide semiconductors. Next, through an materials engineering approach of metal oxides, an evaluation method for radiation stability was presented with the development of radiation-resistant semiconductors. From these results, an in-situ irradiation study based on tin-containing oxides were conducted and by employing the in-situ radiation-resistant semiconductor, transistors with high AC stress stability were realized.

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초록

최근 디스플레이 연구 동향을 살펴보면 플렉시블 모바일 기기와 VR 기술의 성장과 더불어 하이엔드 디스플레이 기술의 수요가 증가함에 따라, 차세대 디스플레이 소재에 대한 연구가 중요해지고 있다. 그 중에서 금속 산화물 트랜지스터는 현재 LG 및 삼성 디스플레이의 백플레인에 상용화되고 있는 차세대 디스플레이 소재중 하나이며, 백플레인에서 트랜지스터는 디스플레이 각 픽셀의 켜짐과 꺼짐을 조절하는 스위치 역할을 하고 있는 중요한 구성 요소라고 할 수 있겠다. 특히 최근에는 저비용, 대면적 공정 및 유연기판으로의 적용을 위해 해당 반도체층을 스핀 코팅과 같은 용액공정으로 제작하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 이렇게 제작된 금속 산화물 트랜지스터는 스위칭 능력을 나타내는 이동도가 높고, 꺼짐 상태에서의 전류가 낮아 전력소모가 적다. 또한 비정질 박막의 균일성이 좋기때문에 전기적 균일도가 높은 장점을 지니고 있다. 여러 장점 덕분에 금속 산화물 반도체는 디스플레이 뿐만 아니라, 다양한 목적이나 환경에서 활용 될 수 있는 잠재력을 지니고 있으며, 그에 따라 해당 소자의 구동 안정성에 대한 중요성도 더욱 부각되고 있다. 현대 사회에서 전자 소자는 일상에서 흔히 사용하는 디스플레이에서부터 안전이 최우선시 되는 의료기기 및 임무의 성공 여부가 중요시되는 우주 탐사에까지 폭넓게 사용되고 있다. 만약 여기에서 스위치의 역할을 하는 트랜지스터에 안정성 문제가 발생하여 성능 편차로 이어진다면, 이는 전자 장비에 심각한 오류를 발생시키게 되고 자칫하면 큰 경제적 손실이나 안전 사고까지 이어질 우려가 있다. 따라서 전자 소자가 신뢰성 있게 사용되기 위해서 소자의 구동 안정성은 필수적으로 확보돼야만 한다. 이러한 흐름에 맞춰 이번 논문에서는 소자 안정성, 특히 전기적, 고에너지 스트레스에 대한 안정성 향상을 위한 연구를 진행하였다. 이를 위해 본 연구에서는 크게 두가지 관점으로 접근하였으며, 그 첫번째는 유기층의 접합을 통한 반도체의 안정성 향상이었고 그 다음은 반도체 자체의 소재적인 접근을 통해 소자의 동작 안정성을 향상시켜 보았다. 먼저 유기 패시베이션 층으로 적용시킨 유기반도체의 미세구조 조절을 통해 금속 산화물 반도체의 바이어스 안정성을 향상 시킬 수 있었으며, 금속 산화물의 소재적인 접근을 통해 방사선 저항성을 지닌 반도체에 대한 평가 방법을 제시하고 저항성이 향상된 소재를 개발하였다. 이를 기반으로 방사선 저항성을 보이는 주석이 함유된 반도체 소재들에 대해 이온화 방사선 조사 환경에서의 실시간 소자 열화 현상을 연구하였으며, 이때 개발된 실시간 방사선 저항성을 보이는 zinc indium tin oxide (ZITO) 반도체를 활용하여 AC 스트레스에 동작 안정성을 보이는 소자까지 구현 할 수 있었다.

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