Impact of Drain Bias on Degradation of amorphous-InGaZnO Thin-Film Transistors
- 주제(키워드) a-IGZO TFT , charge trapping , vertical electric field , self-heating , thermionic injection
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김상완
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082655
- UCI I804:11029-000000082655
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
비정질 인듐-갈륨-징크-옥사이드 (a-IGZO) 박막 트랜지스터 (TFT)는 높은 이동도 (> 10 cm2/V∙s), 우수한 균일성, 낮은 누설 전류등의 장점으로 차세대 active-matrix organic light-emitting diodes (AMOLEDs) 패널의 구동 트랜지스터로 널리 활용되고 있다. AMOLED 픽셀 회로에서 구동 트랜지스터는 전류를 공급하여 픽셀의 휘도를 조절하는 역할을 수행하며, 이 과정에서 게이트 및 드레인 전극에 지속적인 전압이 인가된다. 이에 따라 장기적인 동작 환경에서는 전압 스트레스에 의한 소자 신뢰성 열화가 발생할 수 있어 이에 대한 분석이 필수적이다. 선행 연구들에서는 게이트 전압에 대한 positive bias stress (PBS) 열화 현상이 활발히 연구되어 왔으며, 수직 전계에 의해 IGZO/SiO2 계면 또는 SiO2 산화막 내에 전자가 트랩되면서 문턱전압(Vth)이 양의 방향으로 이동하는 열화 메커니즘이 보고되었다. 그러나 실제 동작에서는 드레인 전압에 의해 발생하는 드레인 전류 또한 소자의 열화를 유발시킬 수 있으므로, constant current stress (CCS) 조건에서의 신뢰성 분석 역시 중요하다. AMOLED는 일반적으로 스마트폰이나 태블릿 등 고해상도 디스플레이에서 10~15 V 수준의 높은 구동 전압 (VDD)에서 동작하는 반면, 웨어러블 기기, virtual reality/augmented reality (AR/VR), always-on display (AOD) 모드와 같은 portable device 어플리케이션에서는 전력 소모를 최소화 하기위해 5 V이하의 낮은 구동전압에서 동작한다. 이는 다양한 드레인 전압 조건에 따른 TFT의 열화 메커니즘 분석이 필수적임을 의미한다. 그러나 기존의 드레인 전압에 따른 열화 분석 연구들은 대부분 고전압 (≥ 10 V) 조건에 제한되어 있으며, 저전압을 포함한 폭넓은 전압 범위에서의 체계적인 연구는 부족하다. 본 연구에서는 다양한 드레인 전압 조건에서 a-IGZO 박막 TFT의 신뢰성 열화 메커니즘을 체계적으로 분석하였다. 게이트 전압을 30 V로 고정하고 다양한 드레인 전압 조건 (0-15 V)에서 최대 3000 s의 스트레스를 인가한 뒤, Vth 변화를 확인했다. 실험 결과, 낮은 드레인 전압 (0–5 V) 영역에서는 드레인 전압이 증가할수록 게이트-드레인 부근 수직 전계가 감소해 전자의 트랩이 억제되어 Vth 변화량 (∆Vth)이 감소하였다. 반면, 드레인 전압이 10 V 이상으로 증가할 경우 ∆Vth가 증가하였고, 이는 앞선 수직 전계에 의한 열화 메커니즘으로 설명되지 않는 현상이다. 소자의 charge trapping 특성을 자세히 분석하기 위해 stretched-exponential equation을 활용해 A 및 τ 값을 추출하였다. 그 결과, 높은 드레인 전압 영역에서 전자가 대부분 trap 되기까지 소요되는 시간이 증가함을 확인하였다. 이는 높은 드레인 전압에 의해 생성되는 드레인 전류로 인해 IGZO 채널 내 자가 발열이 발생하고, 열 에너지를 받은 전자가 열적 주입을 통해 SiO2 박막 내 깊은 준위 트랩으로 포획되었기 때문이다. 자가 발열에 의한 채널 내 열 축적 효과를 명확히 검증하기 위해, 게이트 및 드레인 전극에 다양한 duty ratio를 가지는 펄스형 AC 스트레스를 인가한 실험을 진행하였다. 스트레스 지속 시간 (tON)은 100 s로 고정하고, 주기 내 냉각 시간 (tOFF)을 최대 1900 s까지 증가시켜 Vth의 변화를 확인했다. 실험 결과, 높은 드레인 전압 (15 V) 조건에서 DC 스트레스 대비 ∆Vth가 약 37.2% 감소한 반면에, 낮은 드레인 전압 (5 V) 조건에서는 3%의 미미한 차이만 나타나 높은 드레인 전압에서는 자가 발열에 의한 열적 주입이 우세한 열화 메커니즘임을 증명하였다. 결과적으로, 드레인 전압이 0 V에서 15 V까지 증가함에 따라 소자의 전자 포획 메커니즘이 수직 전계에 의한 IGZO/SiO2 계면의 얕은 준위로의 포획에서 열적 주입에 의한 SiO2 박막 내 깊은 준위로의 포획으로 전이되는 것을 밝혀냈다. 주제어: a-IGZO TFT, 전자 포획, 수직 전계, 자가 발열, 열적 주입
more초록(요약문)
Amorphous indium–gallium–zinc–oxide (a-IGZO) thin-film transistors (TFTs) have been widely adopted as driving transistors in next-generation active-matrix organic light- emitting diode (AMOLED) displays due to their high electron mobility (>10 cm²/V·s), excellent uniformity, and low leakage current. In AMOLED pixel circuits, the driving TFT regulates the pixel luminance by supplying current to the organic diode, during which the gate and drain terminals are continuously biased. Under long-term operation, such constant electrical stress can lead to reliability degradation, making the analysis of bias-stress- induced instability essential. Previous studies have extensively investigated positive bias stress (PBS), reporting that vertical electric fields induce electron trapping at the IGZO/SiO₂ interface or inside the gate insulator, resulting in a positive shift in the threshold voltage (Vth). However, in practical operation, the drain current generated by the applied drain voltage can also contribute to device degradation, highlighting the need for reliability evaluation under constant current stress (CCS) conditions. AMOLED panels for smartphones and tablets typically operate at high supply voltages (10–15 V), whereas portable and low-power applications—such as wearable devices, AR/VR, or always-on display (AOD) modes—use significantly lower operating voltages below 5 V to minimize power consumption. This diversity in application- dependent VDD conditions underscores the need to examine degradation mechanisms across a wide range of drain voltages. Nevertheless, prior studies on drain-bias-dependent degradation have largely focused on high-voltage regimes (≥10 V), and systematic investigations covering both low and high drain voltages remain limited. In this work, we systematically analyze the reliability degradation mechanisms of a- IGZO TFTs under various drain-bias conditions. The gate voltage was fixed at 30 V while the drain voltage was varied from 0 to 15 V during electrical stress for up to 3000 s, followed by extraction of Vth shifts. Experimental results show that in the low-drain-voltage regime (0–5 V), increasing VDS reduces the vertical electric field near the gate–drain overlap region and suppresses electron trapping, resulting in a smaller ΔVth. Conversely, when VDS exceeds 10 V, ΔVth increases, indicating a degradation mechanism that cannot be explained solely by vertical-field-induced trapping. Stretched-exponential fitting reveals that the characteristic trapping time increases significantly under high VDS, suggesting that drain-current-induced self-heating facilitates thermally assisted electron injection into deeper trap states inside the SiO₂ layer. To directly verify heat-accumulation-induced thermal injection, pulsed AC stress with varying duty ratios was applied to the gate and drain terminals. With a fixed stress-on time (tON = 100 s) and extended cooling time (tOFF up to 1900 s), ΔVth decreased by approximately 37.2% at VDS = 15 V compared to DC stress, whereas only a minor change (~3%) was observed at VDS = 5 V. This confirms that thermally activated trapping dominates the degradation mechanism at high drain voltages. Consequently, as the drain voltage increases from 0 to 15 V, the dominant electron- trapping mechanism transitions from vertical-field-induced shallow-level trapping at the IGZO/SiO₂ interface to deep-level trapping in the SiO₂ bulk via thermally assisted injection driven by drain-current-induced self-heating. Keywords: a-IGZO TFT, charge trapping, vertical electric field, self-heating, thermionic injection
more목차
초록
Abstract
List of Figures
List of Tables
Chapter 1. Introduction 1
1.1 Evolution of TFT channel materials in display technology 1
1.2 Material characteristics of a-IGZO 4
1.3 Bias instability and reliability issues in a-IGZO TFTs 9
1.4 Limitations of previous drain-bias stress studies in a-IGZO TFTs 12
Chapter 2. VDS-dependent degradation behavior 13
2.1 Experiment 13
2.2 Transfer curves and Vth shift 14
2.2.1 Transfer curves under various VDS 14
2.2.2 Positive Vth shift behavior 14
Chapter 3. Analysis of charge trapping characteristics 18
3.1 Stretched-exponential modeling 18
3.2 Separation of shallow and deep traps 21
Chapter 4. Origin of degradation mechanism transition 26
4.1 Vertical electric field versus self-heating effects 26
4.2 TCAD device simulation 31
4.2.1 Device configuration 31
4.2.2 Analysis of electric field and self-heating effects 33
4.3 Mitigation of thermionic injection under AC stress 37
Chapter 5. Conclusion 40
Bibliography 41
