디스플레이의 TFT의 연구방향 : 캐리어 이동도 제어 연구

 

안녕하세요!

디스플레이를 공부하고 있는 타임플렉스입니다.

 

이제 본격적으로 디스플레이에 대한 공부를 같이 해보려고 합니다.

블로그 글이기 때문에 너무 깊은 내용보다는 조금은 가볍게 함께 알아가보도록 해요!

 

 

TFT(Thin film transistor) 반도체의 연구는 어떤 연구가 진행되고 있을까요?

 

TFT의 핵심 연구 방향 : Active layer control

 앞선 chapter에서 설명드린 바와 같이 TFT 반도체는 MOSFET 반도체와 다르게 Channel 층이 따로 존재하며, TFT의 On/Off의 속도를 결정하는 요소는 Active layer의 특성입니다. TFT 반도체의 특성을 결정하는 요소는 1) On/Off ratio, 2) VT/Von, 3) Subtheshold, 4)mobility(μ, carrier 이동도)이다.

그 중에서 TFT의 accumulation 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소는 캐리어 이동도에 영향을 받습니다.

Mobility (캐리어 이동도)에 영향을 주는 다양한 요소들

 캐리어의 이동도는 Active layer내의 캐리어의 scattering 특성에 영향을 받습니다.
1) 내부 구조에 따른 scattering : Lattice scattering, Ionized impurity scattering, Grain-boundary, point defect
2) 유전체 내부 전하에 의한 scattering : Coulomb scattering

3) 표면 특성 : 계면 접촉력 및 거칠기

1. Mobility (캐리어 이동도) 제어 연구 : 내부 구조 scattering 제어 연구

1-1)  비정질 실리콘 (Amorphous silicone, α-Si)

 초기 TFT 반도체 내부의 Active layer의 경우, 비정질 실리콘을 사용하였습니다. 일반적인 단결정 실리콘이 모든 결합을 한 다이아몬드 구조로 구성되어 있는 것에 반해, 비정질 실리콘은 이웃한 실리콘과 결합을 하지 못한 미결합(dangling bond) 상태로 존재하는 실리콘 원자가 많이 존재하게 됩니다. 이러한 미결합 상태는 결합 에너지와 반 결합 에너지 사이의 중간에 에너지 상태가 존재하게 되며, 이는 에너지 밴드갭 사이에 국소 상태 (Localized state)로 존재하게 됩니다.  특히, 디스플레이에 쓰이는 기판은 기존 반도체 소자에 쓰이는 Silcone wafer와 다르게 유리나 플라스틱과 같은 낮은 녹는점을 가져 낮은 온도 공정이 요구됩니다. 이 때, 또한, 낮은 온도에서 도포가 가능하고 쉽게 도핑할 수 있다는 장점을 활용하여 비정질 실리콘이 사용이 가능합니다. 다만, 낮은 캐리어 이동도로 인해 이를 개선하는 여러가지 연구가 수행되었습니다.

1-2) 다결정 실리콘 (Poly-Silicone, poly-Si)

 다결정 실리콘(Poly-Si)은 실리콘 결정이 다수 모여져서 만든 물질입니다. 일반적으로 실리콘은 다결정 상태로 존재하며 모래의 형태 (SiO) 로 존재합니다. 이를 단결정으로 만들고 pure 단결정 silicone을 만들기 위해서는 산소를 제거하여 높은 온도를 이용하여 산소원자를 제거하여 다결정 실리콘을 만듭니다. 다결정 실리콘은 일반적으로 쓰이는 금속 Gate 전극인 Al보다 적합하고 bipolar회로로 쓰이는 emitter 및 resistor로 쓰일 수 있어 많은 응용이 가능해서 해당 소재에 대한 연구가 많이 이루어집니다. 특히 기존 비정질 실리콘에 비해 charge carrier의 유동성이 순차적인 점에서 carrier mobility가 높다는 것이 특징입니다. 또한, 자기장 및 빛에 의한 간섭에 대해 안정성이 있다고 합니다.

 일반적인 다결정 실리콘을 제작하는 온도는 580 ~ 650 °C의 높은 온도를 사용하여 산소를 제거하는 열분해 공정을 사용합니다. 그러나 낮은 온도를 요구하는 유리나 플라스틱 필름 사용을 위해서 디스플레이용 다결정 실리콘을 제작하기 위해서는 Low thermal polycrystalline (LTPS) 연구를 진행하고 잇습니다. LTPS 공정은 도포된 비정질 실리콘 (α-Si)에 Eximer line beam(308nm pulsed XeCl eximer beam)을 조사하여 다결정실리콘을 형성합니다. 이렇게 제작된 TFT를 LTPS TFT라하며, 많은 디스플레이용 TFT가 해당 방식을 통해 제작되고 있습니다.

 

1-3) 나노크리스탈린 실리콘 (Nanocrystalline Silicone, nc-Si)

 나노크리스탈린 실리콘 (Nanocrystalline Silicon)은 비정질 실리콘의 구조와 비슷하나 비정질 구조 속에 작은 실리콘 결정입자가 있는 점이 특징입니다. 이는 다결정 실리콘이 실리콘 결정입자들로 구성된 반면에 입자 boundary에 의해 분리된 형태를 띄고 있다. nc-Si는 microcrystalline Silicon(μc-Si) 으로도 알려져 있다. 다른점이 있다면 결정 입자의 크기가 다르다는 것이다. Nc-Si은 비정질실리콘(a-Si)에 비하여 많은 잇점이 있는데 그 중의 하나가 실리콘 결정구조되 되어 있기 때문에 electron mobility가 높다는 것이다. 또한 자외선,적외선의 흡수가 좋아 a-Si solar cell을 만드는데 쓰이는 중요한 물질이 된다. 어쨋든 nc-Si를 사용하는 가장 큰 잇점은 a-Si 에 비해 증가된 stability를 보인다는 것이다. 비론 현재는 poly-Si의 mobility를 따라갈 수는 없지만, 저온에서 a-Si 도핑하는 PECVD 같은 기술로 도핑할수 있다는 점이 laser annealing 이나 높은 온도에서 공정이 진행되는 CVD 공정에서 이루어지는 poly-Si에 비하여 훨씬 더 이득인 셈이다.

 

2. Mobility (캐리어 이동도) 제어 연구 : Coulombic  특성 제어 연구

2.1 Coulombic 특성 제어된 연구 : 금속 산화물 반도체 

 초기 금속 산화물 반도체 물질은 In-Ga-Zn-O (IGZO) 물질에 대해 발표를 했었습니다. 특히, 다결정 실리콘(Poly-silicone)과 다르게 비정질(armorphous) 상태에서도 높은 carrier 이동도 특성과 낮은 채널 누설 전류라는 특징으로 인해 주목을 받았습니다. 캐리어 이동도 특성은 비정질 실리콘에 비해는 높지만 다결정 실리콘에 비해서는 낮은 이동도를 갖습니다. 산화물 반도체의 이동도를 증가시키기 위해 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 

 2.1.1. Coulombic 양이온 특성 금속 원소 변형 연구

   주된 연구 방향으로써 양이온 금속을 바꾸며, IGZO에서 쓰이는 Ga 원소를 Tin 으로 변경하는 연구를 수행하였습니다.

 2.1.2. Coulombic 음이온 특성 비금속 원소 변형 연구

   음이온 물질인 Oxide 물질을 N과 같은 다른 비금속 음이온을 혼합하여 사용하는 연구도 보고가 되었습니다. 그러나 해당 연구는 N의 비중의 증가에 따라 밴드갭이 작아지거나 결합상태의 안정성이 떨어져 누설 전류의 증가가 이슈로 제시되었습니다.

 

 

 

3. Mobility (캐리어 이동도) 제어 연구 : 계면 특성 제어 연구

  일반적으로 산화물 반도체는 전극과 채널 사이에 저항이 낮은 계면 층이 형성될 수 있는데, 계면층의 안정성은 열처리 온도가 높을수록 안정적인 이슈가 있습니다. 그러나 저온 공정 기반의 산화물 반도체는 계면 안정성이 떨어지는 이슈가 있습니다.

 

그렇다면 다음과 같은 캐리어 이동도 제어 소재는 어떤 연구를 할 수 있을까요?

1.    LTPO (LTPS-Oxide)TFT 연구

 다결정 실리콘 (polysilicone) TFT와 산화물 기반의 TFT를 혼합하는 구조의 반도체 연구를 통해 두 가지의 장점을 모두 이용하는 하이브리드 구조의 연구가 이루어질 수 있습니다. 다결정 실리콘(Polysilicone)이 가지는 높은 전기이동도를 갖는 특징과 산화물 반도체가 가지는 낮은 누설전류 특징을 활용하여 두 가지의 장점을 갖습니다. 그러나 두 가지 특성을 동시에 가짐에 따라 공정이 어려운 점이 있습니다. 이러한 문제를 해결하고자  픽셀 부분에서는 낮은 누설전류를 갖는 산화물 반도체를 사용하고, 높은 이동도를 갖는 부분은 전반적인 칩의 TFT를 갖도록 설계하여 하이브리드 구조 기반의 LTPO TFT 를 연구하고 있습니다.

2.    인공지능 기반의 반도체 소자 연구

 인공지능 연구 중 인공신경망에 대한 연구가 많이 이루어지고 있습니다. 이러한 신경망을 만들기 위해 뉴런과 시냅스를 구성해야 하는데, 현재 인공지능을 위해 사용되는 시냅스 구조는 금속 산화물 사이에 두고 양쪽 금속 전극을 형성하는 형태입니다. 이 때 반도체와 같이 가역적으로 on/off가 가능한 특성을 활용하여 시냅스와 같은 구조를 사용하는 연구가 있습니다.

3.    AR/VR/홀로그램을 위한 단채널 산화물 TFT 연구

 높은 해상도를 얻기 위해서는 아주 작은 채널을 갖는 (<1 μm) TFT 구성이 중요합니다. 이 때 산화물 반도체는 보통 증착공정을 통해 제작을 하기 때문에 다양한 증착 방법을 활용하여 다양한 구조가 제작할 수 있다는 장점을 활용하여 집적도가 높은 단채널 산화물 TFT 제작이 가능합니다.