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서 론

최근 UD급 고해상도 TFT-LCD 및 대형

AMOLED TV의 등장으로 기존 비정질 실리콘(a-Si;

Amorphous Silicon) 또는 저온다결정 실리콘(LTPS;

Low-Temperature Polycrystalline Silicon)을 대체할

수 있는 반도체 소재에 대한 관심이 매우 높다. 특

히, 고해상도, 대화면 디스플레이의 경우 전하이동

도가 0.5~1.0 cm2/V-s 수준인 a-Si 박막 트랜지스터

(TFT; Thin-Film Transistor)로는 적용의 한계가 있

어 앞으로 이동도가 보다 우수한 LTPS TFT 또는 산

화물 TFT로 전환될 가능성이 매우 높다. 더불어,

AMOLED의 경우 신뢰성의 문제로 a-Si TFT는 적용

산화물 트랜지스터 기술 동향

김영훈

성균관대학교 신소재공학부yhkim76@skku.edu

458 … NICE, 제33권 제4호, 2015

특 별 기 획 (III)

이 매우 어렵고, 따라서 현재로서는 LTPS TFT 또는

산화물 TFT가 유일한 적용 가능 기술이다.

산화물 TFT는 2000년대 초반 이후 IGZO(Indium

Gallium Zinc Oxide) 물질 등의 개발로 급속한 연구

개발이 진행되어 왔으며 이미 일부 제품의 경우 상

용화가 진행되었다. 특히, 실리콘과 다르게 비정질

상태에서도 높은 전하이동도 특성을 가질 수 있다

는 장점으로 a-Si TFT를 대체할 수 있는 기술로 부

각되어 TFT-LCD 및 AMOLED Backplane용 구동 소

자로 많은 연구개발이 진행되었고, 특히 스퍼터링

(Sputtering)을 이용하여 대면적 증착이 용이하여 8세

대 이상의 공정개발이 가능하다는 장점이 있다.

이와 함께 최근에는 디스플레이 패널이 기계적으

로 유연하여 종이처럼 접거나 두루마리의 형태까지

도 가능한 플렉서블 디스플레이의 중요성이 더욱 강

조되면서 AMOLED 구동이 가능하면서 LTPS TFT보

다 제조공정이 단순하고, 또 상대적으로 저온공정이

가능한 산화물 TFT에 대한 산업적 관심이 고조되고

있다.

플렉서블 디스플레이로의 응용 외에도 산화물

TFT는 현재 고이동도 소자 구현, 그리고 인쇄공정

도입을 위한 저온 용액형 공정기술 개발 등이 핵심

이슈로 자리 잡고 있다. 본 고에서는 각각의 기술 구

현을 위한 연구개발 동향을 살펴볼 것이다.

고이동도 산화물 TFT 기술

산화물 TFT의 많은 장점에도 불구하고 기존

LTPS TFT에 비해 상대적으로 낮은 전하이동도,

P-type 구현의 어려움, 신뢰성 문제 등이 아직까지

개선되어야 할 점으로 남아 있다. 특히 이동도의 경

우 고해상도 및 대화면 구현, 다양한 주변회로 등을

내장하기 위해서는 반드시 개선을 해야 하는 부분

이다. 산화물 TFT 연구 초기 단계에서는 새로운 금

속이온의 도입, 조성 제어, Post-annealing 등을 통한

고이동도 확보에 대한 연구가 많이 보고되었다 [1-

3]. 최근에는 이와 더불어 다층 채널 구조(Multi-layer

Channel Structure), 즉, 한 가지 이상의 물질을 순차

적으로 Stacking하여 채널을 형성하는 TFT 구조로

고이동도 및 우수한 NBIS(Negative Bias Illumination

Stress) 신뢰성 특성을 얻는 연구가 보고되고 있다.

Stacking하는 채널 물질로는 IZO(Indium Zinc Oxide),

IZTO(Indium Zinc Tin Oxide) 등 다양한 물질들이 보

고되고 있는데, 게이트 절연막 위에 형성되는 채널

물질로는 높은 전하밀도를 가지면서 게이트 절연막

과의 계면에서 낮은 Interfacial Trap Density(Dit)를 가

지는 물질, 또 낮은 Oxygen Vacancy를 가진 물질이

유리할 수 있다.

다층 채널 구조를 가진 TFT에 대한 연구로 최근

ZTO/IZO로 구성된 Double-channel TFT를 보고된

바 있다 [4]. SiO2 게이트 절연막 상부에 IZO, ZTO가

순차적으로 적층된 구조로서 33.0 cm2/V-s 수준의

높은 전하이동도와 함께, 우수한 PBS(Positive Gate

Bias Stress) 및 향상된 Negative Gate Bias Illumination

Stress (NBIS) 특성을 보여주고 있다 (그림 2). ZTO/

IZO의 Double-channel 구조로 이동도 및 신뢰성 특

성이 향상되는 주요 원인으로는 500oC Post Annealing

과정 중에 In 및 Sn 원자들이 Inter-diffusion 하여

IZTO/SiO2 계면을 형성하는 것으로 보고되고 있다

[4]. 즉, Single-channel ZTO TFT와 비교하였을 때

IZTO/SiO2 계면의 Dit가 ZTO/SiO2 계면의 Dit보다 감

소되며, 더불어 IZO층에 Sn 원자가 도핑됨으로써

Oxygen Vacancy Formation Energy가 증가, Photo-

bias Stability가 향상된다. 하지만 IZO 하부층의 두께

가 너무 두껍게 되면 Post Annealing 과정 중 Sn 원자

가 SiO2 계면까지 도달하지 못하여 신뢰성 특성이 다

그림 1. 산화물 TFT 기반의 평판 디스플레이 (TFT-LCD 및 AMOLED)

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 … 459

특 별 기 획 (III)

시 열화되게 된다. 따라서, ZTO/IZO Double-channel

구조에서는 IZO의 두께 제어가 이동도 및 신뢰성 특

성 향상을 위해 매우 중요하다고 보고하고 있다.

유사한 연구로 미국 UCLA의 Yang Yang 그룹에

서는 Sol-gel Process로 형성한 ITZO/IGZO Double-

channel 구조의 TFT에 대한 연구 결과를 보고하였

다 [5]. 이 연구에서는 하부에 있는 채널층, 즉, 게

이트 절연막인 SiO2의 상부에 형성되는 ITZO의 두

께가 전반적인 전하이동도 특성의 향상 및 문턱전

압(VTH; Threshold Voltage)의 변화에 미치는 영향을

분석하였다 (그림 3). UPS(Ultraviolet Photoelectron

Spectroscopy) 등 분석 결과, ITZO의 Fermi Level은

IGZO보다 CBM(Conduction Band Minimum)에 훨

씬 가깝게 위치하여 밴드갭 등을 고려했을 때 ITZO

와 IGZO 계면에서 Band Bending이 일어나고 결과

적으로 Confined ITZO 구조를 형성하게 된다. 따라

서 IGZO보다 높은 전하밀도와 밀도(Density)를 가진

ITZO로 인해 전하이동도가 증가하고, 반면, 상부에

그림 2. ZTO/IZO Double-channel TFT의 Transfer 및 Output Curve 특성. IZO 두께에 따른 PBS(Positive Gate Bias Stress) 신뢰성 특성 변화 [4]

그림 3. ITZO/IGZO Double-channel TFT에서 ITZO의 두께에 따른 Transfer Curve, 전하이동도 및 On/Off Ration의 변화. ITZO/IGZO의 Band Structure 및 Barrier Formation [5]

460 … NICE, 제33권 제4호, 2015

특 별 기 획 (III)

있는 IGZO에 의해 VTH 및 On/Off Ratio는 유지되게

된다 [5]. ITZO/IGZO Double-channel TFT 구조에서

는 하부에 위치하는 ITZO 채널층의 두께에 의해 전

하이동도 특성이 크게 좌우되는데, 우선 ITZO의 두

께가 너무 얇으면 균일한 필름 형성 대신 Island 형

태로 SiO2 위에 형성되어 충분한 이동도 향상 효과

를 가져올 수 없다. 반면 ITZO의 두께가 너무 두껍

게 되면 ITZO의 높은 전하밀도로 인해 Negative VTH

특성을 나타내게 된다. 따라서 ITZO의 두께는 약 3

nm 수준이 높은 전하이동도를 가지면서 0 V 근처의

Turn-on Voltage를 가지게 되어 가장 적합한 두께로

보고하였다. 또한, PBS(Positive Gate Bias Stress) 신뢰

성 특성의 경우, IGZO TFT는 약 17.06 V의 △VTH를

보인 반면, ITZO/IGZO TFT는 5.01 V 수준으로 개선

되었다. 이는 Dit가 ITZO/SiO2의 경우 8.06×1011/cm2

로 IGZO/SiO2의 3.09×1012/cm2 보다 낮은 값을 가지

기 때문으로 분석하고 있다.

저온 용액공정 산화물 TFT 기술

현재 상용화된 산화물 TFT 기반 TFT-LCD 및

AMOLED는 진공 증착된 산화물 반도체, 즉, 스퍼터

링(Sputtering)으로 형성한 산화물을 사용하고 있다.

하지만 최근 용액공정으로 TFT를 구현하는 기술이

많은 관심을 받고 있다. 산화물 반도체는 이미 ZnO,

PZT 등을 중심으로 Sol-gel 공정 기반 박막 형성기술

이 많이 개발되고 있었다. IGZO, IZO, ZTO 등의 대

표적 산화물도 다양한 금속 전구체를 이용하여 Sol-

gel 공정으로 박막 형성이 매우 용이하다. 특히 용액

공정의 경우 진공 증착에 비해 Cost Reduction 효과

를 가져올 것으로 예측되고 있고, 향후 Roll-to-Roll

공정을 적용, 인쇄기반 플렉서블 디스플레이를 제조

하기에도 매우 적합한 기술이다.

하지만 Sol-gel 공정을 기반으로 한 산화물 반도

체 박막 형성 기술은 진공 증착에 비해 비교적 높

은 공정을 필요로 하는데, 일반적으로는 300~500oC

의 고온 공정이 필요하다. 공정 온도를 낮추기 위

한 방법으로 다양한 연구들이 보고되었는데, ‘Sol-

gel on a Chip‘, ‘Combustion‘, ‘Microwave Annealing‘,

‘Photochemical Activation‘, ‘High-Pressure Annealing‘

등이 보고되었다.

Photochemical Activation, 즉 광활성을 이용한 산

화물 반도체 형성 방법은 185 nm, 254 nm 파장대

의 Deep Ultraviolet(DUV)를 이용하여 저온에서 Sol-

gel 반응을 유도, 높은 밀도 및 전기적 특성을 갖

는 산화물을 형성하는 기술이다 [6]. Photochemical

Activation을 이용하게 되면 저온에서도 IGZO, IZO,

그림 4. Photochemical Activation에 의한 Sol-gel 산화물 형성원리 및 산화물 TFT의 전기적 특성 [6]

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 … 461

특 별 기 획 (III)

In2O3 등 다양한 산화물 반도체의 저온 형성이 가능

하여 유리 기판뿐만 아니라 고분자 기판에서도 높은

이동도 특성의 확보가 가능하다 [6]. 또한 산화물 반

도체를 비롯하여 Al2O3 등 산화물 절연체, ITO 등의

산화물 전극의 형성도 가능하여 TFT 분야를 비롯하

여 다양한 분야에 활용이 가능하다.

용액공정으로 저온에서 산화물 반도체를 형성

하는 다른 방법으로 ‘Aqueous Route’이 보고되었

는데, 이를 이용하면 200oC 이하의 공정온도에서

도 비교적 우수한 특성의 TFT 구현이 가능하다 [7].

‘Aqueous Route’는 용매로 물을 이용하여 상대적으

로 낮은 온도에서 Sol-gel 공정을 유도할 수 있는 것

으로 보고되었다. 200oC 이하에서 공정이 가능하

여 PEN(Polyethylene Naphthalate)과 같은 고분자 기

판에서도 산화물 TFT 제조가 가능하다 (그림 5).

‘Aqueous Route’를 이용하여 제조한 In2O3 TFT의 전

그림 5. ‘Aqueous Route’로 PEN 및 Polyimide 기판 위에 제작한 In2O3 TFT 및 Transfer, Output Curve 특성 [7]

그림 6. HPA(High Pressure Annealing)을 이용한 저온 용액공정 IZO TFT의 제조 및 산화물 반도체 박막의 특성 향상 원리 개념도 [8]

462 … NICE, 제33권 제4호, 2015

특 별 기 획 (III)

하이동도는 약 3.14 cm2/V-s, Subthreshold Swing는

158 mV/decade, On/Off Ratio는 109 수준이다.

이외에도 저온 공정을 위한 방법으로 HPA(High

Pressure Annealing)이 있는데 [8], 일반적으로 열

처리 공정이 상압에서 이뤄지는 반면, HPA에서

는 높은 기압 조건에서 열처리를 하여 Chemical

Decomposition 온도의 감소, 필름 내 Porosity의 감

소 등을 통해 보다 우수한 전기적 특성을 확보할 수

있다 [8]. 주로 O2, N2, N2O 분위기에서 5~10 atm의

높은 기압을 유지하여 200oC 열처리 온도에서 전하

이동도가 약 1.0 cm2/V-s인 IZO TFT의 구현이 가

능하다 (N2O Ambient). 이는 N2O 분자에서 Reactive

Oxygen의 공급이 가능하여 필름 내 Oxygen Vacancy

를 줄이고 더불어 Impurity 농도를 줄이기 때문으로

보고되었다 [8].

산화물 TFT의 전하이동도 특성 향상과 함께 신

뢰성을 동시에 향상시킬 수 있는 연구들도 최근 많

이 보고되고 있다. 현재까지 보고된 바에 의하면

빛이 있는 조건에서 Negative Gate Bias가 가해지

는 NBIS 하에서는 Negative VTH Shift가 대부분 관

찰되는데 이는 산화물 반도체에 존재하는 Oxygen

Vacancy가 이온화되기 때문으로 알려져 있다. 또

한 ZnO 등의 산화물 반도체의 경우 빛 조사 후 증

가된 Conductivity가 장시간 유지되는 PPC(Persistent

Photo-Conductivity) 특성이 이미 잘 알려져 있는데,

Backplane에서 TFT는 대부분의 시간 동안 Gate Bias

는 Negative Voltage, 빛이 조사될 수 있는 조건 하

에 있어 NBIS 신뢰성이 매우 우수해야 한다. K. K.

Banger 등은 기존 IGZO 물질 대신 바륨(Ba; Barium)

또는 스트론튬(Sr; Strontium)이 도핑된 IBZO 및 ISZO

TFT에 대한 연구를 보고하였다 [9]. 연구에서는

IBZO 및 ISZO TFT의 경우 낮은 온도에서도 공정이

가능하며 또한 기존 IGZO TFT보다 우수한 신뢰성

특성을 나타내었다. 특히, 450oC 열처리를 할 경우

약 20 cm2/V-s의 전하이동도 확보가 가능하며, PBS

신뢰성도 기존의 IGZO TFT와 비교해 크게 향상된

결과를 보여주는 등 IGZO를 대체할 수 있는 소재에

대한 가능성을 보여주었다. IBZO 및 ISZO가 IGZO보

다 우수한 신뢰성 특성을 가지는 이유는 Ba 또는 Sr

이 Ga보다 매우 높은 Gibbs Energy of Oxidation을 가

지기 때문으로 보고되고 있다 (그림 7).

결 론

현재 기존의 a-Si 및 LTPS TFT를 대체하기 위한

소자로 다양한 산화물 반도체 소재를 이용한 산화물

TFT 기술이 연구되고 있다. 산화물 TFT는 보고된

지 불과 10년 만에 상용화에 이를 만큼 기술적 성숙

속도가 매우 빠른 기술로서 평판 디스플레이 제조

부분 가장 앞장 서 있는 한국을 비롯하여, 일본, 대

만, 중국, 그리고 원천기술을 일부 확보하고 있는 미

국, 유럽에서도 많은 관심을 가지는 기술이다. 또한,

산화물 TFT는 현재의 TFT-LCD, AMOLED를 비롯

그림 7. Sol-gel 공정으로 제조한 IBZO 및 ISZO TFT 및 금속 이온별 Gibbs Energy of Oxidation 비교 [9]

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 4, 2015 … 463

특 별 기 획 (IV)

하여 향후 플렉서블 AMOLED 등에 적용될 가능성

이 매우 높은 기술로서 앞으로는 전하이동도의 지속

적인 향상, 신뢰성 특성 개선, P-type 반도체 구현 등

에 대한 연구 개발이 필요시 되고 있다.

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서론

양자점은 나노미터 크기의 반도체 결정으로써 그

반경이 엑시톤 보어반경보다 작으면 전자와 정공의

운동이 제한을 받게 되어 상자 속 입자 모델에 의해

에너지 준위가 불연속적인 값을 가지게 되는 특성

을 보인다[1]. 따라서 양자점은 크기조절에 따라 전

기적, 광학적 특성을 조절할 수 있다는 장점을 가지

며, 이러한 장점 때문에 트랜지스터, 광학센서, 태양

전지, 열전소자 등의 여러 전자소자와 광전자소자

에 광범위하게 사용되고 있다[2-6]. 양자점을 제조

하는데 가장 널리 사용되는 방법은 콜로이드 합성법

인데, 이를 이용하면 양자점의 크기나 모양, 조성 등

을 손쉽게 조절이 가능하며 용액공정으로 대량생산

이 가능하다는 이점이 있다[7]. 콜로이드 합성을 통

해 제조된 양자점은 유기용매에 분산이 되어 있으

며, 긴 절연성의 유기리간드로 둘러 싸여 있다. 이러

한 유기리간드로 캐핑된 양자점으로 박막을 형성 하

게 되면 전기 전도가 전혀 일어나지 않아 트랜지스

터등의 전자소자로의 활용이 불가능한데, 이는 표면

의 유기리간드가 양자점 사이의 전하 이동에 큰 방

해 요인이 되기 때문이다[8].

양자점 사이의 전하이동 특성을 향상시키기 위

해서 지난 십 수년간 다양한 종류의 리간드들이 양

자점 표면의 긴 절연성의 유기리간드를 대체하기

위한 목적으로 개발되었다. 가장 먼저 hydrazine,

1,2-Ethanedithiol과 같은 단분자 유기물이 도입이 되

었으며, 이러한 짧은 유기리간드로 치환된 양자점

트랜지스터의 경우 ~10-4~1 cm2/Vs 정도의 전하이동

도를 보일 수 있었다[5, 9, 10]. 하지만 유기물의 경

우 그 길이가 짧아도 태생적으로 절연특성을 보이기

때문에 양자점의 전하이동도 향상에 그 한계가 있어

왔다. 따라서 보다 향상된 전하이동도 구현을 위하

무기리간드 치환을 통한 전무기 양자점 트랜지스터 제조

장재영

한양대학교 에너지공학과jyjang15@hanyang.ac.kr