한국세라믹기술원(원장 정연길)은 허수원·박인표 연구팀이 심자외선·열처리 복합공정을 개발 적용해 문턱전압과 전자 이동도를 개선한 고성능 산화물 박막 트랜지스터를 개발했다고 20일 밝혔다. 대면적 유연 디스플레이 상용화에 크게 기여할 전망이다.
디스플레이 백플레인(뒷면)에서 스위치 역할을 하는 박막 트랜지스터는 고해상도와 고주사율에 필요한 높은 전자 이동도 특성이 요구된다. 저전압 구동을 위해서는 0볼트에 가까운 문턱전압도 필요하다.
산화물 박막 트랜지스터는 기존 비정질 수소화실리콘 박막 트랜지스터에 비해 전자 이동도가 높고 대면적 증착도 용이하다. 유연기판이나 인체 부착형 디스플레이 스위치 소자에 적용 가능할 정도로 유연성도 좋다.
하지만 이러한 성능을 갖추려면 350℃ 이상 고온 열처리로 금속-산소 결합을 유도해야 한다. 높은 열처리 온도는 유연 기판 열손상이나 소자의 문턱전압 음이동을 유발해 안정성을 떨어트린다.
연구팀은 심자외선·열처리 복합공정을 이용해 성능은 높이고 문턱전압 음이동 문제는 개선한, 저전압에서 구동 가능한 고성능 산화물 박막 트랜지스터 제조에 성공했다.
연구팀은 산화물 반도체(인듐-갈륨-아연-주석 산화물, IGZTO)층에 수은 램프로 185㎚와 265㎚ 파장을 일으켜 심자외선 조사와 열처리를 동시에 진행했다. 기존 전기로 열처리 공정은 350℃에서 1시간 정도 걸렸지만 심자외선·열처리 복합공정은 250℃에서 30분 이내에 고성능 고안정성 박막을 제조할 수 있다. IGZTO층에 나타나는 결함은 약 15% 줄이고, 저온에서도 금속-산소 결합도는 10% 높아졌다. 전자 이동도는 기존 소자 대비 12% 향상됐고, 문턱전압은 -16V에서 -2.5V로 개선됐다.
고성능 산화물 박막 트랜지스터는 양·음 전압 시험에서 각각 +1.4V와 -3.0V 수준의 낮은 문턱전압 이동특성을 나타냈다. 별도 보호층 없이 120일간 대기 중에 보관해도 처음 대비 89.7% 이동 성능을 유지했다.
허수원 연구원은 “심자외선·열처리 복합공정은 저온에서도 산화물 박막 활성화를 촉진해 산화물 박막 트랜지스터 고성능과 고안정성을 동시에 달성할 수 있는 기술”이라며 “향후 대면적 유연 디스플레이 상용화를 앞당기고, 다양한 산화물 반도체 소자에 적용 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 과기정통부와 한국연구재단 나노 및 소재 기술개발사업 국가핵심소재연구단(플랫폼형)과 산업부 산업기술평가관리원 산업기술 알키미스트 프로젝트 지원을 받았다. 연구 성과는 영국왕립화학회 발행 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리C’ 6월호에 실렸다.
진주=임동식기자 dslim@etnews.com