수소 확산 제어를 통한 비정질 인듐 갈륨 아연 산화물 박막 트랜지스터의 교류 스트레스에 대한 안정성 개선
Enhancing AC stress stability in Amorphous Indium Gallium Zinc Oxide Thin-Film Transistors via Controlled Hydrogen Diffusion
- 주제어 (키워드) thin film transistors , metal oxide , passivation , hot carrier , AC stress
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김충익
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079428
- UCI I804:11029-000000079428
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
비정질 산화물 반도체 (AOS)는 높은 전자 이동도, 광학적 투명성, 낮은 오프 전류, 저온 공정 가능성 등 다양한 이점을 제공하여 유연하고 투명한 디스플레이에 특히 적합하다. 그러나 이러한 이점에도 불구하고, 비정질 산화물 반도체가 널리 보급되지 못한 이유는 빛, 방사선, 바이어스 스트레스 하에서의 불안정성 등 신뢰성 문제 때문이다. 본 연구에서는 비정질 산화물 반도체 기반 소자에 대한 교류전압 스트레스의 영향을 감소시켜 소자 안정성을 향상시키고자 하였다. 본 연구에서는 새로운 접근법으로, 하프늄 산화물 (HfO2)을 패시베이션 층으로 사용하여 수소 도핑을 시도하였다. 하프늄 산화물 층은 원자층 증착 (ALD) 방법 을 통해 tetrakis(ethylmethylamino)hafnium (TEMAhf)과 H2O를 사용하여 증착하였으며, 이 과정에서 H2O가 산화물 반도체 층으로 수소를 확산시키는 핵심 역 할을 하였다. 증착 후 어닐링을 통해 비정질 인듐 갈륨 아연 산화물 (a-IGZO) 층 내의 수소 농도를 최적화하였다. 연구 결과, 5 nm 두께의 하프늄 산화물 패시베이션 층이 a-IGZO TFT의 교류전압 스트레스 안정성을 크게 향상시키는 것으로 나타났으며, 360 °C의 어닐링 온도에서 최적의 성능을 보였다. 이 조건에서 Ion 열화율은 9 %, 문턱 전압 변화는 0.2 V로 나타났다. 2차 이온 질량 분석법 (SIMS)을 통해 수소 분포를 확인하였고, 원자력 현미경 (AFM), X선 회절 (XRD), 접촉각 측정을 통해 산화물 반도체 박막의 형태를 확인하였다.
more초록 (요약문)
Amorphous oxide semiconductors (AOS) offer significant benefits in electronics, such as high electron mobility, optical transparency, low-off current, and low-temperature fabrication, making them particularly suitable for flexible and transparent displays. Despite these benefits, the widespread adoption of AOS is hindered by reliability issues such as instability under illumination, radiation, and bias stress. This study investigates the impact of AC stress on AOS-based devices, focusing on the degradation mechanisms associated with hot carrier effects (HCE). A novel approach employing hydrogen doping using hafnium oxide (HfO2) as a passivation layer was explored. The HfO2 layer was deposited via atomic layer deposition (ALD) using tetrakis(ethylmethylamino)hafnium (TEMAhf) and H2O, with the latter facilitating hydrogen diffusion into the oxide semiconductor layer during deposition. Post-deposition annealing was employed to optimize hydrogen concentration in the amorphous indium–gallium–zinc oxide (a-IGZO) layer. Our results show that a 5 nm HfO2 passivation layer significantly enhances the AC stress stability of a-IGZO TFTs, with the optimal performance achieved at an annealing temperature of 360 °C, resulting in an Ion degradation rate of 9 % and a threshold voltage shift of 0.2 V. Secondary ion mass spectroscopy (SIMS) confirmed the hydrogen distribution, while atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), and contact angle measurements validated the film morphology. This study underscores the potential of advanced passivation techniques in improving the durability and operational stability of AOS-based electronic devices.
more목차
제 1장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.1.1. 산화물 반도체의 특성 1
1.1.2. 교류전압 스트레스의 영향 2
1.2. 연구목적 4
제 2장 실 험 8
2.1. 시료 및 용액의 제조 8
2.2. 산화물 박막 트랜지스터 제작 9
2.3. 소자 특성 및 신뢰성 평가 10
제 3장 실험결과 및 고찰 11
3.1 하프늄 산화물을 페시베이션 층으로 사용한 산화물 반도체 박막 트랜지스터 11
3.2 화학적 특성 및 미세구조적 특성 분석 15
3.2.1. 수소농도 분석 15
3.2.2. 표면 및 결정구조 분석 17
제 4장 결 론 21
참고문헌 22
