[반도체 소자 및 설계] Device Physics - Display TFT

안녕하세요!

오늘 글에서는 display에 대해 알아보고,

여기서 사용되는 transistor인 TFT에대해 알아보려 합니다 ㅎㅎ

 

 

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• Display

 display는 정보를 나타내는 출력장치로, 

사람과 정보를 연결하는 interface에 존재하고 visible light 가시광선의 빛을 출력합니다. 

크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 

segment display(7-segment) : 간단, 0~9 숫자 나타냄

matrix display(dot-matrix) : pixel 하나하나 이용, 7-segment보다 많은 정보 저장 가능

한 특징을 가집니다. 

 

matrix display에도 두 가지 종류가 존재합니다. 이 둘은 좌표계를 이용하여 빛을 켭니다. 

 

- 먼저, passive matrix에 대해 알아봅시다. 

1. pixel에 active device 없음

2. Line-by-Line

3. cross-talk -> Image Blurring

4. speed limitation

5. No high resolution video

장점) 저렴

단점) 선명X -> 화질이 중요하지 않은 대형정관판 등에 사용

 

여기서 Line-by-line은 각 줄마다 전류의 흐름을 조절하는 것을 말합니다. 

cross-talk는 인접한 metal line이 근처의 영향으로 인해 원하는 값이 유지되지 못하고 변화되는 현상을 말합니다. 

예를들어 0V로 어둡게 원하는 pixel이 옆 5V pixel에 의해 0.5V가 되면서 원하는 것보다 밝아질 수 있습니다. 

이렇게 되면 원하는 대로 선명한 화명이 불가능 해 지는 것이죠. 

 

- 그리고 active matrix에 대해 알아봅시다. 

1. 각 pixel에 TFT&Storage Capacitor 존재

2. pixel-to-pixel

3. cross-talk X -> vivid display

4. No speed limitation

5. good high resolution video

장점) 선명

단점) 비쌈

 

여기서 TFT와 Storage capacitor는 트랜지스터와 커패시터의 형태로 위의 그림에 나와있습니다. 

트랜지스터로 전류의 흐름을 조절하고, 커패시터로 전하를 저장해 두기 때문에, 

순간적으로 트랜지스터가 꺼져도 저장된 전하를 흘려 켜지게 유지하는 것이 가능해집니다. 

TFT의 drain부분에 Data Line이 있고, gate 부분에 Scan Line이 연결됩니다. 

 

 

 

 

 

 

• TFT(Thin Film Transistor)

TFT는 display에 가장 많이 쓰이는 FET입니다. TFT는

> 어떠한 기판 위에서도 만들 수 있고

> 다양한 물질을 사용해 제작할 수 있으며

> 간단한 구조로 만들 수 있고, 

   semi와 carrier 갯수에 따라 전류가 흐르는 accumulation mechanism을 기반으로 동작하기 때문에

   (channel, junction이 간단, 저온에서 간단한 과정 가능)

wearable/ sensor 등에 활용합니다. 

 

(MOSFET과 동작을 비교하면

> wafer 기판 위에만 제작 가능하고

> Si, Ge, ... 등 많이 사용하는 물질이 정해져 있음

> npn에서 channel inversion에 따라 전류가 흐르는 inversion mechanism 기반으로 동작함 )

 

TFT에서 활용되는 점을 살펴보면,

flexible electronics(유연 소자)는 스마트폰, 피부 부착 웨어러블 등으로 활용되고, 

transparent electronics(투명 소자)는 스마트 창문, 스마트 안경 등에 사용됩니다. 

 

 

 

 

- display에서 TFT에 대해 알아봅시다. 

각각의 TFT를 연결시킨 그림을 보면, TFT를 끄거나 키는 것은 OLED를 끄거나 키는 것과 같은 의미임을 알 수 있습니다. 

 

얇게, flexible substrate 위에 제작하면, 막대기 위에 소자를 올려 얼마나 작은 막대에 구부려 줄 수 있는지를 확인해 성능을 파악할 수 있습니다. 

그리고 active matrix구조를 가진 OLED를 AMOLED라고 합니다. 

 

 

 

 

- TFT의 구조에 대해 알아봅시다. 

TFT는 구조에 따라 네가지 종류가 존재합니다. 

 위 두 구조는 gate가 위에 있는 top gate, 아래 두 구조는 gate가 아래에 있는 bottom gate이다. 

각 구조 증착 순서를 써보자면, 

Coplannar) semiconductor -> Drain, Source -> Dielectric -> Gate

Staggered) Drain, Source -> Semiconductor -> Dielectric -> Gate

Inverted Coplannar) Gate -> Dielectric -> Drain, Source -> semiconductor

Inverted Staggered) Gate -> Dielectric -> semiconductor -> Drain, Source

 

위 네 구조중, Inverted Staggered를 가장 많이 씁니다. 

그 이유는, S/D가 밖에 존재해 외부에서 diode를 연결하기 가장 용이한 구조이기 때문입니다. 

 

 

 

 

 

 

• TFT Key Factor

 TFT에서 가장 중요하게 여겨지는 요인은 4가지 존재하고 그 요인들을 하나하나 알아보기 전에,

 

- TFT와 MOSFET은 세부적 메커니즘이 비슷합니다. 

가장 큰 차이로 MOSFET은 single crystal을 channel으로 사용, doping된 Si 양쪽 junction을 S/D로 사용하지만, 

TFT는 증착하는 물질을 channel, metal, oxide로 사용한다는 점이 다릅니다. 

 

 

- 그리고 TFT의 제작과정에 대해 먼저 알아본 뒤, 각 요인들에 대해 써보겠습니다.

① substrate 위에 gate 증착

② gate 위에 dielectric을 전면에 얹기

③ semiconductor는 전체에 deposition 한 뒤, 원하는 부분만을 남기기

  ~ 여기까지는 문제 없이 가능 ~

④ S/D는 전체에 증착한 뒤, 원치않는 중간 부분을 etching으로 없애줌

     -> 확실히 제거하기 위해서는 over etching이 필요, 아래 semi에 영향이 생김

 

 

1. Passivation

 passivation은 소자 전체를 덮어주어 보호해주는 역할을 합니다. 

H를 control하고, 구멍 없이 dense한 film을 만들어 damage로 부터 자유로운 과정입니다. 

Cu가 O와 만나 산화되지 않게 보호하고, S/D 두께에 따라 step coverage를 좋게 함으로써

모든 면을 충분히 보호해 줄 수 있게 구성해야 합니다. 

 

 

2. Gate Insulator (GI)

 GI는 Si와 semiconductor 계면에 trap을 적게 하는 low interface states를 가져야 합니다. 

이 또한 H를 control하고 stoichiometry(원하는 대로 비율을 만들수 있게 하는 것)가 좋아야 합니다. 

예를 들어, SiO2의 경우 비율이 1:2가 정확히 되지 않아 SiOx(1<=x<=2)도 사용할 수 있게 되는것 입니다. 

그리고 leakage current를 방지하기 위해 energy band-offset을 잘 맞춰야 합니다. 

 

 

3. Source/Drain

 S/D에는 주로 metal을 사용합니다. 일부로는 oxide conduction 물질도 사용합니다. 

낮은 contact resistance를 가지고, etching 할 때 damage, contamination(오염)이 없게 해야 합니다. 

그리고 active에서 inter diffusion(서로 섞이는 상황)이 없게 해야합니다. 

 

 

 

4. Active(Semiconductor)

 active는 V_th control이 가장 중요합니다. H, Vo(oxygen vaccancy)와 같은 donor를 control, active thickness등을 조절하면서 말이죠. 

또 여러번 동작 시켜도 정확히 동작해야 하고, 기존에 놓여 있던 GI에 안좋은 영향이 없게 해야합니다. 

그리고 defect를 control해 subgap state를 줄여야 합니다. 

 

 

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(사실 이 부분이 중요한 것 같은데 잘 설명이 안되네요. 

추가할 수 있으면 내용도 추가해 보고

더 이해 한 뒤 적어봐야 할 듯 합니다. ..)

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• TFT의 channel materials

 TFT의 channel에 사용되는 물질은 3가지가 있습니다. 

① a-Si (amorphous silicon)

② LTPS (Low Temperature Polycrystalline Silicon)

③ Oxide (oxide semiconductor)

세가지 소재들은 위와 같은 특징을 가지고 있고, a-Si는 가격과 전통적인 장점 이외에는 특성이 좋지 않아

신소재인 IGZO(Oxide), LTPS와 같은 물질들을 현재 많이 사용하고 있습니다. 

 

각 물질에 대해 알아보기 전에 추가적으로 Si의 결정 구조에 대해 알아보면, 

a-Si는 무작위의 구조를 가지고 있기 때문에 carrier가 넘어야 할 장벽이 매우 크게 나타납니다. 

LTPS에서는 각 규칙을 가진 구조 grain들 사이의 grain boundary(장벽)이 존재하기 때문에 규칙성이 깨져있고, carrier가 넘어야 할 장벽이 조금 있음을 확인할 수 있습니다. 

grain 사이즈가 매우 크게되면 amorphous한 구조와 비슷한 성격을 보이고,

grain이 매우 작다면 single crystal 구조처럼 되게 됩니다. 

 

이렇게 carrier가 일정한 E-field에서 얼마나 빠른 속도로 움직이는 지를 나타내는 요소를 mobility라 하고, 이 mobility는 on current에서 확인할 수 있습니다. 

 

여기서, crystallinity가 높을수록 좋다고 생각할 수 있는데, 이 값이 너무 높다면 편차(variation)이 발생할 수도 있기 때문에, 

모빌리티를 줄이더라도 grain size를 줄여 편차를 줄이는 방향 또한 생각해야 합니다.

즉, 편차와 mobility 사이에는 trade off 관계가 성립합니다. 

 

이제 각 소자에 대해 하나씩 살펴보도록 하겠습니다!

 

 

 

① a-Si (amorphous silicon)

 

왼쪽부터 c-si, a-si, hydrogenation을 넣은 a-si

 위 그림에 세가지 구조가 나와있습니다. 

가장 왼쪽의 그림은 c-Si 구조로, crystalline silicon의 형태입니다. 

sp3의 오피탈을 가지고, diamond와 같은 구조로 구성되어있으며 latice constant는 5.43으로 규칙적이고 Energy Band Gap은 300K에서 1.1eV를 가집니다. 

 

이와 비교해서 중간 그림인 a-Si는 정의하기는 어렵지만 c-Si와 비슷한 lattice constant를 가집니다. 

무작위 규칙(No range order)을 가지고, Si가 노는 팔인 Danling bonds를 가지고 있습니다. 

이 Danling bond로 인해 Energy Band의 구조가 깔끔하지 못하고

band gap사이에 localized state들이 많이 생겨 carrier의 제어에 어려움이 생깁니다. 

이를 해결하기위해 Hydrogen을 Danling bond에 넣어줘 localized state를 줄여줄 수 있게 됩니다. 

이 구조가 제일 오른쪽의 그림에 나와있습니다. 

 

이 a-Si 구조는 carrier mobility가 ~1cm^2/Vs로 매우 작다는 단점을 가지고 있습니다. 

 

 

 

② LTPS (Low Temperature Polycrystalline Silicon)

 

 LTPS는 이름에서 볼 수 있듯 열을 가해주는 공정, annealing과 큰 연관이 있습니다. 

wafer전체를 뜨겁게 하는 RTA, surface만이 뜨거워 지는 FLA 등 다양한 과정이 존재하지만, 

LTPS에서는 Laser를 사용해 surface의 국소적인 부분만을 순간적으로 heat시킵니다. 

 

위와 같이 진행되는 Laser는 기판에 영향을 끼치지 않는다는 장점을 가지고,

이러한 공정을 ELA(Excimer Laser Annealing)이라고 합니다. 

 

국소적으로 laser를 쏘기 때문에, 전체를 스캔해 주기에는 시간이 오래 걸려 시간 당 생산 wafer가 적고, 

가격이 비싸고 unifom하지 못하다는 단점을 가지기 때문에

소형 제품에서 많이 사용할 수 있게됩니다. 

이런 단점에 반해, carrier mobility는 ~100cm^2/Vs정도로 큰 값을 가집니다. 

 

 

 

③  Oxide (oxide semiconductor)

 

Oxide는 주로 Amorphous 물질인 IGZO를 사용합니다. 

IGZO는 In, Ga, Zn, O의 비율을 조절하며 사용하는 물질을 말하고

현재 이 물질은 new device인 memory, sensor등에 적용중이라고 합니다. 

 

 

• TFT에 영향이 끼치는 요인들

1. Stability

 TFT에 빛을 받으면 어떠한 영향을 받는지 알아봅시다. 

 

 PBS(PBIS)는 Positive bias (illumination) stress를 말하고, 

반대로 NBS(NBIS)는 Negative bias (illumination) stress를 말합니다. 

이 상황들은 TFT가 on/off 되었을 때 gate에 빛이 들어오면서 V_th가 변화함을 말합니다. 

 

위 그래프를 보면, 빛이 없은 PBS, NBS 상황에서는 시간이 오래 지나도 V_th의 변화는 크지 않지만, 

NBIS와 같이 빛을 받았을 때, 시간이 증가할수록 negative shift가 일어나는 것을 확인할 수 있습니다. 

(d) 그래프에서도 shift값이 NBIS에서 크게 증가함을 알 수 있습니다. 

 

위 그림을 보면, gate에 빛이 들어오면 oxide에 전하가 갇혀 stress를 받고, V_th가 변하겠구나를 쉽게 알 수 있습니다. 

아래 그래프는 GI에 사용하는 물질에 따라서도 이러한 shift에도 차이가 생김을 확인할 수 있는데, 

SiO가 더 적은 변화를 가짐으로 보아, stress를 받아도 기존 상태를 안정적으로 유지하는, 궁합이 좋은 물질이라고 할 수 있겠습니다. 

 

 

 

 

 

2. Passivation

 passivation은 TFT의 주변부로 지키는 물질을 넣어주는 것 입니다. 

channel, gate, S/D의 interface를 안정적으로 해주고, device를 보호해주는 역할을 합니다. 

다양한 passivation film을 이용하는데, 

왼쪽 보다 passivation물질을 넣은 오른쪽 그래프가 V_th 변화가 작음을 확인할 수 있습니다. 

즉, passivation은 소자의 신뢰성에 큰 역할을 하게 됩니다. 

 

 

 

3. Post-Treatment

 이 과정은 공정이 끝난 후 해주는 과정으로, anneling process의 일종 중 하나입니다. 

defect를 줄여주고, 밀도있는 TFT를 만들어 주기 위해

주변 환경, 목적에 따라 다른 진행방법을 이용해 진행합니다. 

 

MOSFET에는 Si/SiO2의 danling bond에 forming gas(H2)를 annealing해주고, 

IGZO로 oxygen vacancy(Vo)를 thermal annealing해줘 Vo를 증가, 내부 전자 농도를 증가시켜 V_th control을 하게 됩니다. 

위 그래프처럼 공기에서는 온도가 높을수록 negative shift가 일어나, 전도도와 oxygen vacancy가 높고, 

Post-Treatment로 HPA에 있을 때는 cxygen vaccancy가 낮아 V_th의 positive shift가 일어남을 알 수 있습니다. 

 

 

 

 

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오늘 내용은 여기까지입니다!

사실 내용이 많고 어려워서.. 저도 서두없이 글을 쓰는 바람에 이해가 잘 안될수도 있을 것 같네요

부족하거나 틀린 내용은 천천히 고쳐나가겠습니다!

 

감사합니다!