[ Article ]

JOURNAL OF SENSOR SCIENCE AND TECHNOLOGY - Vol. 29, No. 5, pp.332-335

ISSN: 1225-5475 (Print) 2093-7563 (Online)

Print publication date 30 Sep 2020

Received 04 Sep 2020 Revised 08 Sep 2020 Accepted 09 Sep 2020

DOI: https://doi.org/10.46670/JSST.2020.29.5.332

InGaZnO 용액의 농도가 Drop-casting으로 제작된 산화물 박막 트랜지스터의 전기적 특성에 미치는 영향

노은경¹ ; 유경민² ; 김민회¹^{, 2}^{, +}

1한밭대학교 창의융합학과
2한밭대학교 산학협력단 인쇄전자 3D 프린팅 공학 연구소

Effect of InGaZnO Solution Concentration on the Electrical Properties of Drop-Cast Oxide Thin-Film Transistors

Eun-Kyung Noh¹ ; Kyeong Min Yu² ; Min-Hoi Kim¹^{, 2}^{, +}

1Department of Creative Convergence Engineering, Hanbat National University, N13-909, Hanbat National University, 125 Dongseodaero, Yuseong-gu, Daejeon 305-719, Korea
2Research Instite of Printed Electronics & 3D Printing, Industry University Cooperation Foundation, Hanbat National Unversity, 125 Dongseodaero, Yuseong-gu, Daejeon, 305-719, Korea

Correspondence to: ⁺ mhkim8@hanbat.ac.kr

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(https://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Drop casting, a solution process, is a simple low-cost fabrication technique that does not waste material. In this study, we elucidate the effect of the concentration of a InGaZnO solution on the electrical properties of drop-cast oxide thin-film transistors. The higher the concentration the larger the amount of remnant InGaZnO solutes, which yields a thicker thin film. Accordingly, the electrical properties were strongly dependent on the concentration. At a high concentration of 0.3 M (or higher), a large current flowed but did not lead to switching characteristics. At a concentration lower than 0.01 M, switching characteristics were observed, but the mobility was small. In addition to a high mobility, sufficient switching characteristics were obtained at a concentration of 0.1 M owing to the appropriate thickness of the semiconductor layer. This study provides a technical basis for the low-cost fabrication of switching devices capable of driving a sensor array.

Keywords:

Drop casting, InGaZnO TFT, Electrical performance, Concentration, Semiconductor

1. 서 론

산화물 박막 트랜지스터 (Oxide Thin Film Transistor: OxTFT)는 별도의 결정화와 도핑 공정 없이 비정질 구조에서 높은 이동도와 on-off 전류비를 나타내는 장점이 있어서 디스플레이와 센서 구동을 위한 소자로 많이 연구되고 있다.

일반적으로 OxTFT를 제작하기 위해 사용하는 스퍼터링(sputtering)은 진공 상태에서 진행되어 불순물의 혼입을 방지할 수 있기 때문에 고품질의 박막을 형성할 수 있지만 재료의 손실이 크고 속도가 느리며 고가의 진공장비가 필요하므로 생산단가가 높다[1-2]. 이와 같은 진공 증착 공정과 비교하여서 용액 공정은 낮은 비용이 필요하고 막의 형성이 간단하고 쉬우며 넓은 면적에 쉽게 형성이 가능하다는 장점을 갖는다[3-4]. 용액 공정 방법 중 하나인 spin-coating은 넓은 면적에 균일한 박막을 형성할 수 있지만, 재료의 소모가 많고 전 영역에 걸쳐 박막을 형성하기 때문에 추가적인 패터닝 공정이 요구되는 것에 비하여 inkjet이나 drop-casting의 경우에는 직접 패터닝이 가능하므로 일반적인 포토리소그래피를 통한 패터닝 공정을 생략할 수 있다는 장점이 있다[5].

이러한 용액 공정을 적용한 산화물 반도체는 금속 전구체(metal precursor)를 용매에 분산시킨 후 박막을 형성하고 열을 가하여 용매를 증발시킨 뒤 금속-산소 결합을 통해 산화물 박막을 형성하는 과정을 거친다. 용액 공정을 이용한 산화물 반도체 개발은 무엇보다도 간단하게 전구체의 비율과 농도, 박막 형성 방법 등의 조건들을 조절하는 것이 용이하기 때문에 다양한 형태의 산화물 박막의 제조가 가능하여 진공 공정에서 시도 해보기 어려운 다양한 방법들을 활용하여 연구가 진행 중에 있다.

본 논문에서는 drop-casting 방식에 사용되는 InGaZnO 용액의 농도가 OxTFT의 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하고 최적화된 전기적 특성을 위한 농도를 제시한다. 먼저, 실험 방법에서 drop-casting으로 OxTFT를 제작하는 방법을 자세하게 나타내었다. 결과 및 고찰에서는 InGaZnO 농도에 따른 박막의 두께와 제작된 트랜지스터의 전기적 성능을 제시하였다. 해당 특성을 분석하여서 최적화된 트랜지스터의 성능을 위한 농도를 제시하였다.

2. 연구 방법

Fig. 1은 Si 기판 위에 drop-casting 을 이용하여 InGaZnO 층을 형성한 후 코팅된 InGaZnO 박막 위에 쉐도우 마스크를 통해 Al 전극이 열 증착된 산화물 반도체의 단면도이다. 먼저, SiO₂가 200 nm 증착된 Si 기판을 Acetone과 IPA에 각각 15분 동안 초음파 세척한 후 15분 동안 UV 처리를 해주었다. InGaZnO 용액은 indium nitrate(III) hydrate, gallium nitrate(III) hydrate, zinc nitrate hydrate를 2-methoxyethanol과 섞어 각각 0.5 M, 0.3 M, 0.1 M, 0.01 M, 0.007 M, 0.005 M로 제작하였고, 원자 간 몰 비율은 In(4):Ga(3):Zn(2)로 조절하였다. 기판 위에 다양한 농도의 InGaZnO 용액을 drop 하여 하나의 droplet을 형성한 후 110^oC에서 10분간 용매를 제거하고 500^oC에서 3시간 동안 열처리 해 주었다. 이때, 형성된 박막의 두께는 두께 측정 장비(Dektak-8 Surface Profiler)를 이용하여 측정되었다. 반도체층인 InGaZnO 위에 Al을 120 nm 열증착하여 전극을 형성하였다. 채널의 길이는 200 μm, 폭은 1000 μm로 제작하였다. 제작된 소자들은 off 전류의 개선을 위해 S/D 전극 증착 후 200^oC에서 1시간 동안 열처리하였다. 대기 조건에서 반도체 특성 분석기 (HP 4155A)를 사용하여서 전기적 특성을 측정하였다.

Fig. 1.

The solution process for oxide TFT: InGaZnO solution Drop on the Si/SiO2 substrate. Al electrode deposition using vacuum deposition on the dropped InGaZnO solution.

3. 결과 및 고찰

InGaZnO 용액은 소자마다 약 1 ml의 양으로 InGaZnO droplet을 형성하였다. Drop-casting 공정으로 형성된 droplet은 가장자리 용매의 증발이 중앙 부위의 증발보다 빠르게 일어나고, droplet의 내부에서는 이러한 증발률의 차이에 의하여 중앙에서 가장자리의 방향으로 용질의 유동이 발생한다. 이때, 용질들이 가장자리에 모여들면서 coffee-ring과 같은 형상으로 박막이 형성되는 것을 Fig. 2(a)를 통해 확인하였다[6]. 하지만 InGaZnO의 농도가 높아질수록 droplet의 접촉각이 증가하게 되어 상대적으로 가장자리의 증발률이 감소하게 된다[7]. 이는 결과적으로 coffee-ring 효과를 줄이지만 중앙으로 용질이 뭉쳐지게 되어 박막의 표면에 얼룩과 같은 불균일한 박막을 형성한다는 것을 Fig. 2(b)의 현미경 사진을 통하여 알 수 있다. 이러한 현상은 형성된 두께를 용액이 코팅되어있지 않은 기판에서부터 박막의 중심부까지 알파스탭으로 측정한 Fig. 2(c)에서 명확하게 확인할 수 있다. 가장자리에 해당하는 360 μm 영역에서부터 750 μm까지는 급격히 높이가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 0.005 M의 농도에서는 중심부에서 평탄한 두께 25 nm를 가지지만 0.3 M의 농도에서는 모든 영역에서 불균일한 박막을 갖는다. 따라서 coffee-ring 효과의 영향을 많이 받지 않는 InGaZnO 박막의 중심부에 채널이 위치하도록 source/drain 전극을 형성하여 전기적 특성을 확인하였다.

Fig. 2.

Optical microscopy image of surface of InGaZnO thin film; (a) 0.005 M (b) 0.3 M and (c) Thickness of InGaZnO thin film

InGaZnO의 농도에 따른 OxTFT의 transfer curve을 Fig. 3(a)에 나타내었다. 반도체층의 두께는 전하밀도와 관련되어 있으며, InGaZnO 박막 중심부 두께의 평균값을 계산하여 Table 1에 제시하였다. 0.3 M 이상의 농도의 용액으로 제작된 반도체 박막에서는 11 mA의 drain 전류가 흐르지만 측정 범위(V_g=-20 V ~ 50 V)내에서는 V_th특성이 나타나지 않았다. 이는 반도체 층의 두께가 너무 두껍게 되면 높은 전하 밀도로 인해 Negative V_th 특성을 나타내게 되기 때문이다[8-10]. 따라서 drop-casting으로 제작된 OxTFT의 향상된 전기적 특성을 얻기 위해서는 적절한 두께의 박막을 형성하는 낮은 몰 농도의 용액이 필요하다. 본 실험 조건에서는 0.1M에서 형성된 110 nm의 두께가 높은 전하이동도를 가지면서 0 V 근처에서 V_th를 가지게 되어 가장 적합한 두께를 나타낸다. 0.01M 이하의 낮은 농도에서는 스위칭 특성이 나타나지만 on 전류가 감소한다. 반도체층의 두께가 너무 얇으면 전하 이동도를 확보할 수 있는 균일한 박막이 형성되지 않기 때문에 이동도의 감소를 나타낸다. Fig. 3(b)와 (c)에서는 각각 0.1M과 0.01M에서의 output curve를 나타낸다. 제작된 소자들은 누설전류가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있는데, 이것은 drop-casting 공정의 직접 패터닝에 의한 결과이다[11]. I_ds-V_ds 특성에서 일반적인 InGaZnO 반도체의 동작을 확인할 수 있는데, 두께가 증가할수록 pinch-off된 후에 포화영역에서 전류의 증가를 보인다.

Fig. 3.

Electrical properties; (a) transfer curve of various concentration of InGaZnO. (b) output characteristic curve of 0.1 M (c) output characteristic curve of 0.01 M InGaZnO.

Table 1.

Thickness of thin film corresponding to the concentration of InGaZnO solution

Fig. 4(a)에서는 InGaZnO 용액의 농도가 0.1 M에서 0.005 M로 낮아질수록 문턱전압은 3.4 V에서 20.5 V까지 양의 방향으로 이동한다. 이는 위에서 설명한 반도체 층의 두께에 따른 전하 밀도의 변화와 일치한다. 0.3 M 이상의 농도에서는 과도한 두께의 박막으로 인하여 스위칭 특성이 나타나지 않아 측정 범위 내에서 문턱전압을 확인할 수 없었다. 반면, Fig. 4(b)의 이동도는 용액의 농도가 0.1 M에서 0.005 M로 낮아질수록 0.09 cm² V^-1s^-1 에서 0.003 cm² V^-1s^-1으로 감소하는데, 이는 얇은 박막 내에서의 불안정한 박막의 막질에서 발생하는 반도체층 내의 결함들에 trap 되는 캐리어에 의해서 전도도에 기여하는 캐리어 수가 감소되기 때문이다[12]. 결과적으로 스위칭 특성이 나타나는 InGaZnO 용액 중 가장 농도가 높은 0.1 M에서 0.09 cm² V^-1s^-1로 가장 높은 이동도를 보였으며 4.17×10^-6 A 이상의 높은 온 전류를 얻을 수 있었다.

Fig. 4.

Changes in properties according to InGaZnO concentration (a) Threshold voltage, (b) mobility, (c) on current

4. 결 론

재료의 낭비 없이 반도체 층을 간단하게 형성할 수 있는 drop-casting을 사용하여 산화물 박막 트랜지스터를 제작하였다. InGaZnO 용액의 농도에 따른 전기적 특성의 변화를 알아보았다. 0.3 M 이상의 농도에서는 매우 두꺼운 박막이 형성되어 높아진 전하 밀도로 인하여 V_th가 음의 방향으로 이동하기 때문에 스위칭 특성이 나타나지 않았고, 그 이하의 농도에서의 얇은 박막은 스위칭 특성과 이동도를 나타내었다. 0.1 M에서 110 nm로 가장 적절한 두께의 박막을 형성하여 3.37 V의 V_th를 나타내며 0.09 cm² V^-1s^-1의 가장 높은 이동도를 보였다. 본 연구의 결과는 용액의 낭비를 줄여 저비용으로 센서를 구동할 수 있는 소자의 제작을 위한 기술적 기초를 제공한다.

Acknowledgments

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2018R1A6A1A03026005)

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