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Fig. 1에서 보는 바와 같이, Bottom-gate bottom contact (BGBC)구조의 a-IGZO TFT가 제작되었고, 온도 센서가 TFT 상부에 배치 되어 active layer인 a-IGZO의 light shielding 역할을 할 수 있도록 하였다. 200 nm 두께의 Tantalum (Ta) gate 전극을 DC-magnetron sputtering으로 증착하였다. Gate 전극은 reactiveion etching (RIE)를 통해 패터닝되었다. 다음으로 80 nm 두께의 Aluminum Oxide (Al₂O₃) 게이트 절연막(G.I, gate insulator)이 원자층 증착기(ALD, atomic layer deposition)를 통해 증착되었다. Gate 전극과의 contact hole형성을 위해서 80°C에 3분간 인산(Phosphoric acid)용액을 이용하여 습식 식각 (Wet etching)하였다. 다음으로 150 nm 두께의 ITO가 source and drain 층으로 RF magnetron sputtering으로 증착되었고, 습식 식각을 통해 패터닝 되었다. 활성층인 a-IGZO는 30 nm 두께로 RF magnetron sputtering으로 증착되었다. 증착에 사용된 a-IGZO의 타겟의 조성비는 In:Ga:Zn = 2:1:2 at%이다. 증착 된 a-IGZO는 버퍼옥사이드 식각액(Buffer Oxide Etchant, BOE)을 초순수에 300:1 비율로 희석한 용액을 사용하여 습식 식각하였다. a-IGZO가 증착 후 산소(O₂)분위기의 250°C에서 1시간동안 후열처리 되었다.

Fig. 1. 
Cross-sectional structure of the fabricated BGBC a-IGZO TFT with a temperature sensor on it, which is consist of two difference metal electrodes.

Fig. 2(a)와 같이, 화소 회로는 외부 보상 화소 회로인 3TR 1C로 설계되었으며 화소 4개가 연결된 구조로 array화 하였다. 이화소 회로 위에 온도센서가 각 화소에 집적이 되도록 하였으며 제작이 된 현미경 사진은 Fig. 2(b)와 같다.

Fig. 2. 
(a) schematic of a pixel, and (b) optical microscopic view of the fabricated TFT array with the integrated temperature sensor.

TFT array와 온도 센서사이의 절연을 위하여 층간 절연막(ILD, interlayer dielectric)을 증착하였고, sputtering의 plasma에 의한 a-IGZO의 열화를 방지하기 위해서 negative photoresist (Su-8 2000.5, Microchem Corp., MA)를 1 μm 두께로 스핀 코팅을 통해 형성하였다. 온도 센서에는 TFT array에 사용되는 재료인 Ta과 ITO를 사용하였다. Ta은 ‘저항 ₁ (Resistor ₁)’로써 200 nm 두께로 TFT공정과 동일한 방법으로 증착하고 패터닝 하였다. 다음으로 150 nm로 증착 한 ITO가 ‘저항 ₂ (Resistor ₂)’로써 동일하게 습식 식각하여 집적시켰다. 제작된 온도 센서는 입력 전압 (V_in), 출력 전압 (V_out), 접지 (GND, ground)의 세 신호를 위한 패드를 형성하여 측정하도록 하였다.

Fig. 3은 측정 시스템으로써 상온에서 빛이 차단된 dark box안에 맞춤 제작된 probe card를 이용하여 온도 센서가 집적된 TFT array의 측정을 진행하였다. 제작된 sample을 hotplate에 위치 후 thermocouple을 연결하여 실제 기판 온도를 측정하였다. 1 V의 DC 전압을 V_in node를 통해 온도 센서에 인가하며 온도변화에 따른 V_out node의 전압을 측정하였다. 화소 회로 위 온도센서의 특성을 측정하여 Sensitivity, Hysteresis, 그리고 Repeatability를 [9] 구하고 평가하였다.

Fig. 3. 
Measurement systems and methods: (a) Connecting the probe card to the temperature sensor integrated TFT array, (b) measuring temperature changes using a hot plate and determining the panel temperature using a thermocouple.

디스플레이 화소 회로 위에 집적된 온도 센서 동작을 확인하기 전에 단일 온도 센서 및 단일 TFT를 제작하여 평가하였다. 온도 센서가 상부에 위치하는 TFT의 전기적 특성을 평가한 후 TFT위에 위치한 온도 센서가 a-IGZO TFT의 상부에서 차광 효과를 갖는지를 확인하였다.

W/L이 20/10, 50/10인 두 TFT의 특성은 Fig. 4 와 같다. 두 TFT 모두 온도 센서가 집적된 상태에서 측정이 되었다. 온도 센서가 TFT 위에 공정이 진행되어 집적이 된 후에도 TFT가 정상 동작하는 것을 잘 보여 준다. 이는 TFT 제작 후 온도 센서 제작을 위해서 추가된 ILD와 Ta & ITO 전극들이 TFT의 동작 특성에 큰 영향을 주지 않는 것을 의미한다. 주요 파라미터는 Table 1에 나타냈다.

Fig. 4. 
Electrical characteristics of two different temperature sensor integrated a-IGZO TFTs on TFT array. (a) and (c) are transfer and output characteristics of W/L = 20 μm /10 μm, (b) and (d) are transfer and output characteristics of W/L =50 μm /10 μm.

a-IGZO TFT의 channel 위에 제작된 온도 센서의 차광 효과는 저자들의 이전 연구결과에서 온도 센서의 유·무에 따른 PBIS(positive-bias illumination stress) 측정 결과에 의해 확인이 되었다. 300 초 간격으로 0~1200 초 범위의 스트레스 시간을 사용하여 10 V의 V_ds에서 측정되었으며 TFT위에 온도 센서가 있는 경우가 없는 경우 보다 특성의 변화가 작고 빛에 의한 영향을 받지 않아 온도 센서의 차광 효과가 확인되었다.

온도 센서에 사용된 온도 계수가 다른 두 종류의 금속 Ta과 ITO의 비저항은 각각 ρ_0Ta = 198.2 μΩ·cm 그리고 ρ_0ITO = 525.0 μΩ·cm 정도이고 온도 계수는 약 2 배 차이가 나서 직렬 연결된 금속 저항의 온도 변화 값을 이용하여 외부 기준 저항기 없이 온도 측정이 가능하다.

온도 센서를 평가하기 위해서온도 센서의 V_in으로 전압을 공급하고 V_out에서 온도에 따른 전압의 변화를 electrometer를 이용하여 측정하였다. 외부광의 유입이 평가에 주는 영향을 배제하기 위해서 측정 시스템을 dark box에 위치시키고 측정이 진행되었다. 온도 센서를 평가하는 여러 지표 중, 감도 (sensitivity), 히스테리시스 (hysteresis), 그리고 반복성 (repeatability) 등에 대해 분석을 하였다. 디스플레이 구동 중 발생되는 온도의 변화를 재현하기 위하여 제작된 TFT array에 집적된 온도 센서를 hot plate에 올려 두고 온도 25°C에서 120°C로 5°C 간격으로 올리며 서서히 올리며 측정을 진행했다.

위 Fig. 5는 화소 회로에 집적된 온도 센서를 hot plate로 가열하며 그 출력 전압을 측정한 결과와 이론적으로 계산된 값의 비교이다. 측정된 결과는 이론적인 값과 약간의 차이를 보였으나 그 차이가 크지 않았으며 수식 (1)의 정의에 따라 온도 센서의 sensitivity를 계산하였고TFT array에 집적된 온도 센서의 sensitivity는 0.84 mV/°C 였다.

Fig. 5. 
Output voltage of the proposed temperature sensor in measured and theoretical results (applied voltage = 1 V).

좀 더 정확한 온도 센서의 평가를 위해서, Fig. 6과 같이, 온도를 증가시키며 측정한 값과 반대로 다시 온도를 내리면서 측정한 값을 비교하였다.

Fig. 6. 
Measured result of hysteresis of the proposed temp-erature sensor (applied voltage = 1 V).

이상적으로 온도를 올리면서 측정한 값과 온도를 내리면서 측정한 값이 같아야 하지만 이 두 값이 약간 상이하여 히스테리시스가 발생하며 수식 (2)를 이용하여 히스테리시스를 계산하였다.

식에서 FSO는 full-scale output이고, y₁은 ideal curve에서 위로 가장 많이 벗어난 값, y₂는 ideal curve에서 아래로 가장 많이 벗어난 값이다. 측정값으로부터 계산된 온도 센서의 hysteresis는 3.93%FSO였다. 센서의 매우 낮은 hysteresis 값과 열화 없는 출력 값은 온도센서가 안정적임을 의미한다.

다음으로, Fig. 7과 같이, 동일한 환경과 조건에서 여러 번 측정하여 온도 센서의 repeatability를 평가하였다. 동일한 조건에서 동일한 온도 센서를 3번 반복 측정하여 얻어진 출력 값으로부터 계산된 오차는 0.05%FSO였다.

Fig. 7. 
Repeatability results based on three consecutive measurements of the proposed temperature sensor. (applied voltage = 1 V).

TFT array에 집적된 온도 센서의 sensitivity, hysteresis, 그리고 repeatability를 단일 온도 센서를 제작하여 동일한 평가를 진행하였다. 또한 추출된 값들을 Table 2에 요약한 바와 같이 2개의 다른 연구에서 얻어진 값과 비교하였다. 온도 센서가 단독으로 있을 때보다 TFT array에 집적되었을 때 전체적으로sensitivity의 감소, hysteresis값과 repeatability 오차의 증가 등이 있었지만 그 차이가 매우 작다. 때문에, 제안한 바와 같이 TFT array위에 집적되어 있는 온도 센서의 특성은 단일 온도 센서와 큰 차이 없이 잘 동작한다고 판단할 수 있다. 다음으로, 참고 문헌의 값들과 제안된 온도 센서의 각 파라미터를 비교했을 때, sensitivity가 다소 부족하지만 hysteresis와 repeatability는 우수한 것으로 확인되었다.