Hf 도핑 이종 이중층 구조를 적용한 In-Zn-O TFT의 AC 드레인 바이어스 안정성 향상
Improved AC Drain Bias Stability in In-Zn-O TFTs with Hf-Doped Heterobilayer Structure
- 주제어 (키워드) 이종 이중층 , 금속 산화물 , 교류 스트레스 , 박막 트랜지스터 , 핫캐리어 , TCAD 시뮬레이션
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김충익
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000081872
- UCI I804:11029-000000081872
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Metal oxide semiconductors are widely used in display technologies due to their high electron mobility, low leakage current, and robust switching characteristics. However, ensuring stability under AC bias stress, which is an inherent condition for practical device operation, remains a critical challenge. In particular, hot carrier effects (HCE) have been identified as a key mechanism for device instability under AC bias stress, as they induce oxygen vacancies (VO) and acceptor-like defect states. In this study, we selected IZO, a material with excellent properties but weak M-O bonds, to improve AC stability. To address this challenge, we propose a heterobilayer channel thin-film transistor (TFT) consisting of an indium-zinc-oxide (IZO) bottom layer and a Hf-doped IZO top layer as a solution to enhance AC bias stability as well as electron mobility. The Hf-doped IZO top layer forms strong bonds with oxygen, effectively reducing oxygen vacancies and VO-related defect states, while inhibiting excessive hot carrier accumulation near the drain electrode. Meanwhile, the IZO bottom layer provides an abundance of oxygen vacancies, contributing to enhanced mobility. The fabricated TFT with the IZO:Hf/IZO bilayer channel exhibits a mobility of 7.3 cm2/Vs and an Ion degradation rate of only 4 % after 1000 s, demonstrating excellent device stability under AC drain bias stress. In addition, negligible hysteresis and excellent reproducibility were also achieved even under AC bias conditions. After stress, the threshold voltage shift was only 0.11 V, with a current on/off ratio of 1.8 × 106 and a subthreshold swing of 512 mV/dec. TCAD simulations further validated the heterobilayer structure in improving stability under AC drain bias stress by demonstrating its effectiveness in suppressing defect generation.
more초록 (요약문)
금속 산화물 반도체는 높은 전자 이동도, 낮은 누설 전류, 우수한 스위칭 특성으로 인해 디스플레이 기술에 널리 활용되고 있다. 그러나 실제 소자 구동 환경에서 필수적인 조건인 교류(AC) 바이어스 스트레스 하에서의 안정성을 확보하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 특히, 핫 캐리어 효과는 산소 공공(VO) 및 억셉터 유사 결함 상태를 유발함으로써 AC 바이어스 스트레스 하에서 소자의 열화를 유도하는 주요 메커니즘으로 알려져 있다. 본 연구에서는 우수한 전기적 특성을 지니고 있으나 금속-산소 결합이 약한 IZO(indium-zinc-oxide)를 기반으로 AC 안정성을 향상시키고자 하였다. 이를 위해, 하부에 IZO, 상부에 Hf가 도핑된 IZO를 증착한 이종 이중층(heterobilayer) 채널 구조의 박막 트랜지스터(TFT)를 제안한다. 상부의 Hf-doped IZO 층은 산소와의 강한 결합을 형성하여 산소 공공 및 VO 관련 결함 상태 생성을 효과적으로 억제하고, 드레인 전극 인근에서의 과도한 핫 캐리어 축적 또한 완화시킨다. 반면, 하부 IZO 층은 풍부한 산소 공공을 제공하여 높은 이동도 확보에 기여한다. 제작된 IZO:Hf/IZO 이중층 구조의 TFT는 전자 이동도 7.3 cm²/Vs, 드레인 AC 스트레스 1000초 인가 후 Ion 열화율 4%를 기록하며 우수한 전기적 안정성을 나타냈다. 또한 AC 바이어스 조건에서도 문턱전압 이동(ΔVth)은 0.11 V에 불과하였고 전류 온/오프 비율은 1.8 × 106, 서브스레숄드 스윙은 512 mV/dec로 나타났으며, 매우 작은 히스테리시스와 우수한 재현성을 확보하였다. 추가적으로 TCAD 시뮬레이션을 통해 제안된 이중층 구조가 드레인 AC 바이어스 스트레스 하에서의 결함 생성 억제에 효과적임을 입증함으로써 소자의 안정성 향상 메커니즘을 이론적으로도 검증하였다.
more목차
제 1장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.1.1. 산화물 박막 트랜지스터 1
1.1.2. AC 바이어스 스트레스와 핫 캐리어 효과 2
1.1.3. 기존 연구 동향 및 한계 3
1.1.4. 이종접합 이중층 채널 도입의 필요성 5
1.2. 연구목적 7
제 2장 실 험 9
2.1 전구체 용액 제조 9
2.2 소자 제작 10
2.3 박막 특성 분석 11
2.4 소자 특성 평가 및 스트레스 조건 12
2.5 시뮬레이션 방법론 13
제 3장 실험결과 및 고찰 14
3.1 Hf 도핑 농도 설정 14
3.2 전기적 특성 및 AC 드레인 바이어스 안정성 19
3.2.1. AC 파라미터 설정 19
3.2.2. 교류전압 전후 전압-전류 특성 21
3.2.3. PBS 테스트 결과 25
3.2.4. Al 확산 가능성 검토 27
3.2.5. 커패시턴스-전압(C-V) 특성 29
3.3 Hf 도핑이 박막에 미치는 영향 31
3.3.1. 박막 특성 변화 (AFM) 31
3.3.2. 화학적 환경 변화 (XPS) 33
3.4 이종접합 계면의 2DEG 분석 36
3.4.1. 에너지 밴드 구조 36
3.4.2. 2DEG 분석 40
3.5 TCAD 시뮬레이션 43
3.5.1. 상태 밀도 함수(DOS) 추출 43
3.5.2. 전자 밀도 변화 47
제 4장 결 론 51
참고문헌 52
