• Journal of Sensor Science and Technology
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• v.33 no.1
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• pp.56-61
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• 2024

The quality of the display can be managed by effectively managing the temperature generated by the panel during use. Conventional display panels rely on an external reference resistor for temperature monitoring. However, this approach is easily affected by external factors such as temperature variations from the driving circuit and chips. These variations reduce reliability, causing complicated mounting owing to the external chip, and cannot monitor the individual pixel temperatures. However, this issue can be simply and efficiently addressed by integrating temperature sensors during the display panel manufacturing process. In this study, we fabricated and analyzed a temperature sensor integrated into an a-IGZO (amorphous indium-gallium-zinc-oxide) TFT array that was to precisely monitor temperature and prevent the deterioration of OLED display pixels. The temperature sensor was positioned on top of the oxide TFT. Simultaneously, it worked as a light shield layer, contributing to the reliability of the oxide. The characteristics of the array with integrated temperature sensors were measured and analyzed while adjusting the temperature in real-time. By integrating a temperature sensor into the TFT array, monitoring the temperature of the display became easier and more accurate. This study could contribute to managing the lifetime of the display.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.262-262
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• 2016

최근 고해상도 디스플레이가 주목받으면서 기존 비정질 실리콘(a-Si)을 대체할 수 있는 재료에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. a-Si의 경우 간단한 공정 과정, 적은 생산비용, 대면적화가 가능하다는 장점이 있지만 전자 이동도가 매우 낮은 단점이 있다. 반면, 산화물 반도체는 비정질 상태에서 전자 이동도가 높으며 큰 밴드갭을 가지고 있어 투명한 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 저온공정이 가능하여 기판의 제한이 없는 장점을 가지고 있다. 대표적으로 가장 널리 연구되고 있는 산화물 반도체는 a-IGZO(amorphous indium-gallium-zinc oxide)이다. 그러나 InZnO(IZO) 기반의 산화물 반도체에서 carrier suppressor 역할을 하는 Ga(gallium)은 수요에 대한 공급이 원활하지 못하여 비싸다는 단점이 있다. 그러므로 경제적이면서 a-IGZO와 유사한 전기적 특성을 나타낼 수 있는 suppressor 물질이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 IZO 기반의 산화물 반도체에서 Ga을 Hf(hafnium), Zr(zirconium), Si(silicon)으로 대체하여 용액증착(solution-deposition) 공정으로 각각의 채널층을 형성한 back-gate type의 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT) 소자를 제작하였다. 용액증착 공정은 물질의 비율을 자유롭게 조절할 수 있고, 대기압의 조건에서도 공정이 가능하기 때문에 짧은 공정시간과 저비용의 장점이 있다. 제작된 소자는 p-type Si 위에 게이트 절연막으로 100 nm의 열산화막이 성장된 기판을 사용하였다. 표준 RCA 클리닝 후에 각 solution 물질을 spin coating 방식으로 증착하였다. 이후, photolithography, develop, wet etching의 과정을 거쳐 채널층 패턴을 형성하였다. 또한, 산화물 반도체의 전기적 특성을 향상시키기 위해서 후속 열처리 과정(post deposition annealing, PDA)은 필수적이다. CTA 방식은 높은 열처리 온도와 긴 열처리 시간의 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 $100^{\circ}C$ 이하의 낮은 온도와 짧은 열처리 시간의 장점을 가지는 MWI (microwave irradiation)를 후속 열처리로 진행하였다. 그 결과, 각 물질로 구현된 소자들은 기존 a-IGZO와 비교하여 적은 양의 carrier suppressor로도 우수한 전기적 특성 및 안정성을 얻을 수 있었다. 따라서, Si, Hf, Zr 기반의 산화물 반도체는 기존의 Ga을 대체하여 저비용으로 디스플레이를 구현할 수 있는 IZO 기반 재료로 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.263-263
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• 2016

최근 반도체 시장에서는 저비용으로 고성능 박막 트랜지스터(TFT)를 제작하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있다. 먼저, 재료적인 측면에서는 비정질 상태에서도 높은 이동도와 가시광선 영역에서 투명한 특성을 가지는 산화물 반도체가 기존의 비정질 실리콘이나 저온 폴리실리콘을 대체하여 차세대 디스플레이의 구동소자용 재료로 많은 주목받고 있다. 또한, 공정적인 측면에서는 기존의 진공장비를 이용하는 PVD나 CVD가 아닌 대기압 상태에서 이루어지는 용액 공정이 저비용 및 대면적화에 유리하고 프리커서의 제조와 박막의 증착이 간단하다는 장점을 가지기 때문에 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히 산화물 반도체 중에서도 indium-gallium-zinc oxide (IGZO)는 비교적 뛰어난 이동도와 안정성을 나타내기 때문에 많은 연구가 진행되고 있지만, 산화물 반도체 기반의 박막 트랜지스터가 가지는 문제점 중의 하나인 문턱전압의 불안정성으로 인하여 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 산화물 반도체의 불안정한 문턱전압의 문제점을 해결하기 위해 마이크로웨이브 열처리를 적용하였다. 또한, 기존의 IGZO에서 suppressor 역할을 하는 값비싼 갈륨(Ga) 대신, 저렴한 지르코늄(Zr)과 하프늄(Hf)을 각각 적용시켜 용액 공정 기반의 Zr-In-Zn-O (ZIZO) 및 Hf-In-Zn-O (HIZO) TFT를 제작하여 시간에 따른 문턱 전압의 변화를 비교 및 분석하였다. TFT 소자는 p-Si 위에 습식산화를 통하여 100 nm 두께의 $SiO_2$가 열적으로 성장된 기판 위에 제작되었다. 표준 RCA 세정을 진행하여 표면의 오염 및 자연 산화막을 제거한 후, Ga, Zr, Hf 각각 suppressor로 사용한 IGZO, ZIZO, HIZO 프리커서를 이용하여 박막을 형성시켰다. 그 후 소스/드레인 전극 형성을 위해 e-beam evaporator를 이용하여 Ti/Al을 5/120 nm의 두께로 증착하였다. 마지막으로, 후속 열처리로써 마이크로웨이브와 퍼니스 열처리를 진행하였다. 그 결과, 기존의 퍼니스 열처리와 비교하여 마이크로웨이브 열처리된 IGZO, ZIZO 및 HIZO 박막 트랜지스터는 모두 뛰어난 안정성을 나타냄을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구에서 제안된 마이크로웨이브 열처리된 용액공정 기반의 ZIZO와 HIZO 박막 트랜지스터는 추후 디스플레이 산업에서 IGZO 박막 트랜지스터를 대체할 수 있는 저비용 고성능 트랜지스터로 적용될 것으로 기대된다.

• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• v.15 no.5
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• pp.519-525
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• 2015

Positive bias stress-induced instability in amorphous indium-gallium-zinc-oxide (a-IGZO) bottom-gate thin-film transistors (TFTs) was investigated under high $V_{GS}$/low $V_{DS}$ and low $V_{GS}$/high $V_{DS}$ stress conditions through incorporating a forward/reverse $V_{GS}$ sweep and a low/high $V_{DS}$ read-out conditions. Our results showed that the electron trapping into the gate insulator dominantly occurs when high $V_{GS}$/low $V_{DS}$ stress is applied. On the other hand, when low $V_{GS}$/high $V_{DS}$ stress is applied, it was found that holes are uniformly trapped into the etch stopper and electrons are locally trapped into the gate insulator simultaneously. During a recovery after the high $V_{GS}$/low $V_{DS}$ stress, the trapped electrons were detrapped from the gate insulator. In the case of recovery after the low $V_{GS}$/high $V_{DS}$ stress, it was observed that the electrons in the gate insulator diffuse to a direction toward the source electrode and the holes were detrapped to out of the etch stopper. Also, we found that the potential profile in the a-IGZO bottom-gate TFT becomes complicatedly modulated during the positive $V_{GS}/V_{DS}$ stress and the recovery causing various threshold voltages and subthreshold swings under various read-out conditions, and this modulation needs to be fully considered in the design of oxide TFT-based active matrix organic light emitting diode display backplane.

• JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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• v.17 no.2
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• pp.239-244
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• 2017

We experimentally investigate the physical mechanism for asymmetrical degradation in amorphous indium-gallium-zinc oxide (a-IGZO) thin-film transistors (TFTs) under simultaneous gate and drain bias stresses. The transfer curves exhibit an asymmetrical negative shift after the application of gate-to-source ($V_{GS}$) and drain-to-source ($V_{DS}$) bias stresses of ($V_{GS}=24V$, $V_{DS}=15.9V$) and ($V_{GS}=22V$, $V_{DS}=20V$), but the asymmetrical degradation is more significant after the bias stress ($V_{GS}$, $V_{DS}$) of (22 V, 20 V) nevertheless the vertical electric field at the source is higher under the bias stress ($V_{GS}$, $V_{DS}$) of (24 V, 15.9 V) than (22 V, 20 V). By using the modified external load resistance method, we extract the source contact resistance ($R_S$) and the voltage drop at $R_S$ ($V_{S,\;drop}$) in the fabricated a-IGZO TFT under both bias stresses. A significantly higher RS and $V_{S,\;drop}$ are extracted under the bias stress ($V_{GS}$, $V_{DS}$) of (22 V, 20V) than (24 V, 15.9 V), which implies that the high horizontal electric field across the source contact due to the large voltage drop at the reverse biased Schottky junction is the dominant physical mechanism causing the asymmetrical degradation of a-IGZO TFTs under simultaneous gate and drain bias stresses.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.154-154
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• 2012

Flexible complementary inverters based on thin-film transistors (TFTs) are important because they have low power consumption and high voltage gain compared to single type circuits. We have manufactured flexible complementary inverters using pentacene and amorphous indium gallium zinc oxide (IGZO) for the p-channel and n-channel, respectively. The circuits were fabricated on polyimide (PI) substrate. Firstly, a thin poly-4-vinyl phenol (PVP) layer was spin coated on PI substrate to make a smooth surface with rms surface roughness of 0.3 nm, which was required to grow high quality IGZO layers. Then, Ni gate electrode was deposited on the PVP layer by e-beam evaporator. 400-nm-thick PVP and 20-nm-thick ALD Al2O3 dielectric was deposited in sequence as a double gate dielectric layer for high flexibility and low leakage current. Then, IGZO and pentacene semiconductor layers were deposited by rf sputter and thermal evaporator, respectively, using shadow masks. Finally, Al and Au source/drain electrodes of 70 nm were respectively deposited on each semiconductor layer using shadow masks by thermal evaporator. The characteristics of TFTs and inverters were evaluated at different bending radii. The applied strain led to change in voltage transfer characteristics of complementary inverters as well as source-drain saturation current, field effect mobility and threshold voltage of TFTs. The switching threshold voltage of fabricated inverters was decreased with increasing bending radius, which is related to change in parameters of TFTs. Throughout the bending experiments, relationship between circuit performance and TFT characteristics under mechanical deformation could be elucidated.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.214.1-214.1
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• 2015

Thin-film transistors (TFTs)의 채널층으로 널리 쓰이는 indium-gallium-zinc oxide (IGZO)는 높은 전자 이동도(약 10 cm2/Vs)를 나타내며 유기 발광 다이오드디스플레이(OLED)와 대면적 액정 디스플레이(LCD)에 필수적으로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 재료는 우수한 TFT의 채널층의 특성을 가지는 반면, ZnO 기반 재료이기 때문에 소자 구동에서의 안정성은 가장 큰 문제로 남아있다. 따라서 최근, IGZO layer의 특성을 향상시키기 위한 연구가 다양한 방법으로 시도되고 있다. IGZO의 조성비를 조절하여 전기적 특성을 최적화거나 IGZO layer의 조성 중 Ga을 다른 금속 메탈로 대체하는 연구도 이루어지고 있다. 그러나 IGZO에 미량의 도펀트를 첨가하여 박막 특성 변화를 관찰한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 산화물 TFTs의 전기적 특성과 안정성은 산소 함량에 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있으며, 더욱이 TFT 채널층으로 쓰이는 IGZO 박막의 고유한 산소 공공은 디바이스 작동 중 열적으로 활성화 되어 이온화 상태가 될 때 소자의 안정성을 저하시키는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로 본 연구에서는 낮은 전기 음성도(1.22)와 표준전극전위(-2.372 V)를 가지며 산소와의 높은 본드 엔탈피 값(719.6 kJ/mol)을 가짐으로써 산소 공공생성을 억제할 것으로 기대되는 yttrium을 IGZO의 도펀트로 도입하였다. 따라서 본 연구에서는 Y-IGZO의 박막 특성 변화를 관찰하고자 한다. 본 연구에서는 magnetron co-sputtering법으로 IGZO 타깃(DC)과 Y2O3 타깃(RF)를 이용하여 기판 가열 없이 동시 방전을 이용해 non-alkali glass 기판 위에 증착 하였다. IGZO 타깃은 DC power 110 W으로 고정하였으며 Y2O3 타깃에는 RF Power를 50 W에서 110 W까지 증가시키면서 Y 도핑량을 조절하였다. Working pressure는 고 순도 Ar을 20 sccm 주입하여 0.7 Pa로 고정하였다. 모든 실험은 $50{\times}50mm$ 기판 위에 총 두께 $50nm{\pm}2$ 박막을 증착 하였으며, 그 함량에 따른 전기적 특성 및 광학적 특성을 살펴보았다. 또한, IGZO 박막 제조 시 박막의 안정화를 위해 열처리과정은 필수적이다. 하지만 본 연구에서는 열처리를 진행하지 않고 Y-IGZO의 안정성 개선 여부를 보기 위하여 20일 동안 상온에서 방치하여 그 전기적 특성변화를 관찰하였다. 나아가 Y-IGZO 채널 층을 갖는 TFT 소자를 제조하여 소자 구동 특성을 관찰 하였다. Y2O3 타깃에 가해지는 RF Power가 70 W 일 때 Y-IGZO박막은 IGZO박막과 비교하여 상대적으로 캐리어 밀도는 낮은 반면 이동도는 높은 최적 특성을 얻을 수 있었다. 상온방치 결과 Y-IGZO박막은 IGZO박막에 비해 전기적 특성 변화 폭이 적었으며 이것은 Y 도펀트에 의한 안정성 개선의 결과로 예상된다. 투과도는 Y 도핑에 의하여 약 1.6 % 정도 상승하였으며 밴드 갭 내에서 결함 준위로 작용하는 산소공공의 억제로 인한 결과로 판단된다.

• The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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• v.67 no.6
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• pp.799-803
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• 2018

We demonstrated memory thin-film transistors (MTFTs) with organic ferroelectric polymer poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) and an amorphous oxide semiconducting indium gallium zinc oxide channel on the elastomeric substrate. The dielectric constant for the P(VDF-TrFE) thin film prepared on the elastomeric substrate was calculated to be 10 at a high frequency of 1 MHz. The voltage-dependent capacitance variations showed typical butterfly-shaped hysteresis behaviors owing to the polarization reversal in the film. The carrier mobility and memory on/off ratio of the MTFTs showed $15cm^2V^{-1}s^{-1}$ and $10^6$, respectively. This result indicates that the P(VDF-TrFE) film prepared on the elastomeric substrate exhibits ferroelectric natures. The fabricated MTFTs exhibited sufficiently encouraging device characteristics even on the elastomeric substrate to realize mechanically stretchable nonvolatile memory devices.

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.10 no.7
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• pp.1489-1496
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• 2009

Amorphous indium-gallium-zinc-oxide thin-film-transistors (TFTs) were modeled successfully. Dependence of TFT characteristics on structure, thickness, and equilibrium electron-density of the active layer was studied. For mono-active-layer TFTs, a thinner active layer had higher field-effect mobility. Threshold voltage showed the smallest absolute value for the 20 nm active-layer. Subthreshold swing showed almost no dependence on active-layer thickness. For the double-active-layer case, better switching performances were obtained for TFTs with bottom active layers with higher equilibrium electron density. TFTs with thinner active layers had higher mobility. Threshold voltage shifted in the minus direction as a function of the increase in the thickness of the layer with higher equilibrium electron-density. Subthreshold swing showed almost no dependence on active-layer structure. These data will be useful in optimizing the structure, the thickness, and the doping ratio of the active layers of oxide-semiconductor TFTs.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.311-311
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• 2016

최근 고성능 디스플레이 개발이 요구되면서 기존 비정질 실리콘(a-Si)을 대체할 산화물 반도체에 대한 연구 관심이 급증하고 있다. 여러 종류의 산화물 반도체 중 a-IGZO (amorphous indium-gallium-zinc oxide)가 높은 전계효과 이동도, 저온 공정, 넓은 밴드갭으로 인한 투명성 등의 장점을 가지며 가장 연구가 활발하게 보고되고 있다. 기존에는 SG(단일 게이트) TFT가 주로 제작 되었지만 본 연구에서는 DG(이중 게이트) 구조를 적용하여 고성능의 a-IGZO 기반 박막 트랜지스터(TFT)를 구현하였다. SG mode에서는 하나의 게이트가 채널 전체 영역을 제어하지만, double gate mode에서는 상, 하부 두 개의 게이트가 동시에 채널 영역을 제어하기 때문에 채널층의 형성이 빠르게 이루어지고, 이는 TFT 스위칭 속도를 향상시킨다. 또한, 상호 모듈레이션 효과로 인해 S.S(subthreshold swing)값이 낮아질 뿐만 아니라, 상(TG), 하부 게이트(BG) 절연막의 계면 산란 현상이 줄어들기 때문에 이동도가 향상되고 누설전류 감소 및 안정성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. Dual gate mode로 동작을 시키면, TG(BG)에는 일정한 positive(or negative)전압을 인가하면서 BG(TG)에 전압을 가해주게 된다. 이 때, 소자의 채널층은 depletion(or enhancement) mode로 동작하여 다른 전기적인 특성에는 영향을 미치지 않으면서 문턱 전압을 쉽게 조절 할 수 있는 장점도 있다. 제작된 소자는 p-type bulk silicon 위에 thermal SiO2 산화막이 100 nm 형성된 기판을 사용하였다. 표준 RCA 클리닝을 진행한 후 BG 형성을 위해 150 nm 두께의 ITO를 증착하고, BG 절연막으로 두께의 SiO2를 300 nm 증착하였다. 이 후, 채널층 형성을 위하여 50 nm 두께의 a-IGZO를 증착하였고, 소스/드레인(S/D) 전극은 BG와 동일한 조건으로 ITO 100 nm를 증착하였다. TG 절연막은 BG 절연막과 동일한 조건에서 SiO2를 50 nm 증착하였다. TG는 S/D 증착 조건과 동일한 조건에서, 150 nm 두께로 증착 하였다. 전극 물질과, 절연막 물질은 모두 RF magnetron sputter를 이용하여 증착되었고, 또한 모든 patterning 과정은 표준 photolithography, wet etching, lift-off 공정을 통하여 이루어졌다. 후속 열처리 공정으로 퍼니스에서 질소 가스 분위기, $300^{\circ}C$ 온도에서 30 분 동안 진행하였다. 결과적으로 $9.06cm2/V{\cdot}s$, 255.7 mV/dec, $1.8{\times}106$의 전계효과 이동도, S.S, on-off ratio값을 갖는 SG와 비교하여 double gate mode에서는 $51.3cm2/V{\cdot}s$, 110.7 mV/dec, $3.2{\times}108$의 값을 나타내며 훌륭한 전기적 특성을 보였고, dual gate mode에서는 약 5.22의 coupling ratio를 나타내었다. 따라서 산화물 반도체 a-IGZO TFT의 이중게이트 구조는 우수한 전기적 특성을 나타내며 차세대 디스플레이 시장에서 훌륭한 역할을 할 것으로 기대된다.