KR102741597B1 - Oxide semiconductor and semiconductor device comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화물 반도체 및 이를 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화물 반도체는 이터븀(Yb)이 도핑되고 인듐(In) 및 아연(Zn)을 함유하는 산화물을 포함함으로써, 전기적 특성 및 안전성이 모두 우수하다. The present invention relates to an oxide semiconductor and a semiconductor device including the same. Specifically, according to one embodiment of the present invention, the oxide semiconductor includes an oxide doped with ytterbium (Yb) and containing indium (In) and zinc (Zn), thereby having excellent electrical characteristics and safety.
Description
본 발명은 산화물 반도체 및 이를 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. The present invention relates to an oxide semiconductor and a semiconductor device including the same.
디스플레이 반도체인 TFT(Thin Film Transistor)는 얇은 박막이 쌓여있는 트랜지스터이다. 반도체의 일종인 TFT는 다수의 픽셀로 구성된 디스플레이에서 빛의 밝기를 조절하는 전기적 스위치 역할을 하는 것으로, 전기적 신호를 제어하여 빛을 온오프(on/off)하여 발광을 제어할 수 있다. TFT (Thin Film Transistor), a display semiconductor, is a transistor with a thin film stacked on it. TFT, a type of semiconductor, acts as an electrical switch that controls the brightness of light in a display composed of multiple pixels, and can control light emission by turning the light on/off by controlling the electrical signal.
TFT는 산화물 층의 형성 물질에 따라 분류될 수 있으며, 어떤 물질을 사용하는지에 따라 전자의 이동도 등과 같은 물성을 확보할 수 있다. 종래에는 비정질 실리콘을 사용한 a-Si TFT나 다결정 실리콘을 사용한 LTPS TFT가 사용되었다. 그러나, 결정성 실리콘 박막은 제조시 800℃ 이상의 고온이 필요하므로 유리 기판이나 유기물 기판이 아닌 실리콘 웨이퍼나 석영 등과 같은 내열성이 높은 비싼 기판 상에 형성되어야 하고, TFT의 상부(TOP) 게이트 구성에 한정되는 점에서 비용 절감이 어려운 문제가 있다. 또한, 비정질 실리콘 박막은 비교적 저온에서 형성할 수 있지만 스위칭 속도가 느리고, 반도체 활성층에 가시광선이 조사되면 도전성을 나타내거나 누설 전류가 발생하는 등의 문제가 발생하여 가시광선을 차단하는 차광층을 추가로 구성해야하는 단점이 있다. TFT can be classified according to the forming material of the oxide layer, and physical properties such as electron mobility can be secured depending on the material used. Conventionally, a-Si TFT using amorphous silicon or LTPS TFT using polycrystalline silicon were used. However, since a crystalline silicon thin film requires a high temperature of 800℃ or higher during manufacturing, it must be formed on an expensive substrate with high heat resistance, such as a silicon wafer or quartz, rather than a glass substrate or an organic substrate, and there is a problem that it is difficult to reduce the cost because it is limited to the top gate configuration of the TFT. In addition, although an amorphous silicon thin film can be formed at a relatively low temperature, there are problems such as slow switching speed, conductivity or leakage current when visible light is irradiated to the semiconductor active layer, and therefore, a light-blocking layer that blocks visible light must be additionally configured.
이에, 최근에는 가격이 저렴하면서, 높은 전자 이동도(mobility) 및 낮은 오프 커런트(off current) 및 가시광선 영역에서의 우수한 투과도를 갖는 비정질 산화물 반도체(Amorphous oxide semiconductors, AOS)에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 AOS에는 IZO(인듐-아연 산화물), IZTO(인듐-아연-주석 산화물), IGTO(인듐-갈륨-주석 산화물), IGZO(인듐-갈륨-아연 산화물) 등이 있다. 그러나, 산화물 반도체는 금속-수산기, 탄소 등의 불순물로 인해 결함이 발생할 수 있고, 이로 인해 전기적 특성이 저하될 수 있으며, 게이트, 조명, 열 바이어스 스트레스 등 다양한 동작 조건에서 안정성이 저하될 수 있는 문제가 있다. 이에, 테르븀(Tb)을 이용하여 안정성을 증가시키고자 하는 시도가 있었으나, Tb의 함량이 증가할수록 전기적 특성이 저하되는 문제가 있었다. 또한, IGZO의 조성비를 조절하여 안정성을 향상시키고자 하는 시도가 있었으나, Ga의 함량이 증가할수록 이동도 및 안정성이 저하되는 문제가 있었다. 따라서, 산화물 반도체의 성능을 확보할 수 있는 이동도, 전기적 특성 등이 저하되지 않으면서 안정성을 향상시킬 수 있는 연구가 계속되고 있다. Recently, interest in amorphous oxide semiconductors (AOS) that are inexpensive, have high electron mobility, low off current, and excellent transmittance in the visible light region has increased. Such AOS include IZO (indium zinc oxide), IZTO (indium zinc tin oxide), IGTO (indium gallium tin oxide), and IGZO (indium gallium zinc oxide). However, oxide semiconductors can have defects due to impurities such as metal hydroxyl groups and carbon, which can deteriorate their electrical characteristics and lower their stability under various operating conditions such as gate, illumination, and thermal bias stress. Therefore, there has been an attempt to increase the stability using terbium (Tb), but there was a problem that the electrical characteristics deteriorated as the Tb content increased. In addition, there were attempts to improve stability by controlling the composition ratio of IGZO, but there was a problem that mobility and stability decreased as the content of Ga increased. Therefore, research is ongoing to improve stability without deteriorating mobility and electrical characteristics that can secure the performance of oxide semiconductors.
따라서, 본 발명은 전기적 특성과 안정성이 모두 우수한 산화물 반도체 및 이를 포함하는 반도체 소자를 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention aims to provide an oxide semiconductor having excellent electrical characteristics and stability and a semiconductor device including the same.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이터븀(Yb)이 도핑되고, 인듐(In) 및 아연(Zn)을 함유하는 산화물을 포함하는, 산화물 반도체가 제공된다. According to one embodiment of the present invention, an oxide semiconductor is provided, which includes an oxide doped with ytterbium (Yb) and containing indium (In) and zinc (Zn).
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 기재; 상기 기재 상에 형성된 유전층; 상기 유전층 상에 형성된 상기 산화물 반도체를 포함하는 반도체층; 및 상기 반도체층 상에 형성된 전극을 포함하는, 반도체 소자가 제공된다. According to another embodiment of the present invention, a semiconductor device is provided, including: a substrate; a dielectric layer formed on the substrate; a semiconductor layer including the oxide semiconductor formed on the dielectric layer; and an electrode formed on the semiconductor layer.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반도체 소자를 포함하는 박막 트랜지스터가 제공된다. According to another embodiment of the present invention, a thin film transistor including the semiconductor element is provided.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 박막 트랜지스터를 포함하는 디스플레이 장치가 제공된다. According to another embodiment of the present invention, a display device including the thin film transistor is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체는 이터븀(Yb)이 도핑되고, 인듐(In) 및 아연(Zn)을 함유하는 산화물을 포함함으로써, 이동도와 같은 특성이 저하되지 않으면서 전기적 특성 및 안전성이 모두 우수하다. An oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention includes an oxide doped with ytterbium (Yb) and containing indium (In) and zinc (Zn), thereby having excellent electrical characteristics and safety without deterioration of characteristics such as mobility.
구체적으로, 본 발명은 희토류 원소 중 매장량이 가장 풍부한 Yb을 IZO에 도핑함으로써 새로운 조성을 갖는 산화물 반도체에 관한 것으로, Yb는 표준 전극 전위가 -2.19 V로 In(0.34 V) 및 Zn(0.76 V)보다 현저히 낮으며, 전기음성도 또한 1.1로 In(1.78) 및 Zn(1.65)보다 낮다. 또한, Yb-O 금속 산화물의 해리 에너지는 397.9 kJ/mol로 In-O(360 kJ/mol)와 Zn-O(284.1 kJ/mol)보다 높다. 따라서, 비정질 산화물 반도체의 낮은 안정성의 가장 큰 원인인 산소 결함(oxygen vacancy, Vo)을 효과적으로 감소시킬 수 있다. Specifically, the present invention relates to an oxide semiconductor having a new composition by doping Yb, which is the most abundant rare earth element, into IZO. Yb has a standard electrode potential of -2.19 V, which is significantly lower than that of In (0.34 V) and Zn (0.76 V), and also has an electronegativity of 1.1, which is lower than that of In (1.78) and Zn (1.65). In addition, the dissociation energy of Yb-O metal oxide is 397.9 kJ/mol, which is higher than that of In-O (360 kJ/mol) and Zn-O (284.1 kJ/mol). Therefore, it can effectively reduce oxygen vacancies (Vo), which are the biggest cause of low stability of amorphous oxide semiconductors.
더욱이, 네거티브 바이어스 스트레스(negative bias stress, NBS), 포지티브 바이어스 스트레스(positive bias stress, PBS), 네거티브 바이어스 일루미네이션 스트레스(negative bias illumination stress, NBIS), 포지티브 바이어스 일루미네이션 스트레스(positive bias illumination stress, PBIS), 네거티브 바이어스 열적 스트레스(negative bias temperature stress, NBTS), 포지티브 바이어스 열적 스트레스(positive bias temperature stress, PBTS) 등 다양한 조건에서, 본 발명에 따른 IYZO를 포함하는 TFT는 종래에 사용되던 IGZO를 포함하는 TFT에 비해서 문턱 전압(threshold voltage, Vth)의 변화량(△Vth)이 15% 이상 감소하므로, 다양한 조건에서도 우수한 안정성을 갖는다. Furthermore, under various conditions such as negative bias stress (NBS), positive bias stress (PBS), negative bias illumination stress (NBIS), positive bias illumination stress (PBIS), negative bias temperature stress (NBTS), and positive bias temperature stress (PBTS), the TFT including IYZO according to the present invention has a threshold voltage (V th ) variation (△V th ) reduced by 15% or more compared to a TFT including IGZO used in the related art, and thus has excellent stability under various conditions.
또한, 종래에 사용되던 IGZO를 포함하는 TFT(10.13 cm2/Vs)는 IZO(11.63 cm2/Vs)에 비해서 이동도가 일반적으로 13% 정도 감소되는 반면, 본 발명에 따른 IYZO를 포함하는 TFT(11.86 cm2/Vs)는 이동도의 변화 또한 거의 없다. 따라서, 본 발명에 따른 산화물 반도체는 이동도의 저하 없이 전기적 특성 및 안정성이 우수하므로, 반도체 소자, 박막 트랜지스터, 디스플레이에 적용하는 경우 우수한 성능을 발휘할 수 있다. In addition, while the mobility of the TFT (10.13 cm 2 /Vs) including the conventional IGZO is generally reduced by about 13% compared to that of the IZO (11.63 cm 2 /Vs), the TFT (11.86 cm 2 /Vs) including the IYZO according to the present invention has almost no change in mobility. Therefore, since the oxide semiconductor according to the present invention has excellent electrical characteristics and stability without a decrease in mobility, it can exhibit excellent performance when applied to semiconductor devices, thin film transistors, and displays.
도 1은 IZO TFT와 IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 전달 특성(transfer characteristics)(a), IZO TFT와 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)(b)의 전달 특성을 나타낸 것이다.
도 2는 IZO TFT와 IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 홀 관련 특성(hall measurement characteristics)(a), 및 IZO TFT와 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)(b)의 홀 관련 특성을 나타낸 것이다.
도 3는 PBS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(a), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(b) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(c), 및 NBS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(d), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(e) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(f)를 나타낸 것이다.
도 4은 PBTS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(g), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(h) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(i), 및 NBTS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(j), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(k) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(l)를 나타낸 것이다.
도 5는 PBIS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(m), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(n) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(o), 및 NBIS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(p), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(q) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(r)를 나타낸 것이다.
도 6는 IZO TFT(a), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%)(b), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)(c), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 5mol%)(d), IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%)(e), IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)(f), 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 5mol%)(g)의 광 응답 특성 평가를 나타낸 것이다.
도 7은 IZO(a), IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%)(b), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%)(c), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)(d), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%)(e) 필름의 O1s 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 IZO와 IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 광학 밴드갭(optical bandgap)(a), IZO 필름의 밴드 앳지 상태(band edge state)(b), IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(c), IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(d), IGZO(Ga의 도핑 농도: 5mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(e), IZO와 IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 광학 밴드갭(f), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(g), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(h), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(i)를 나타낸 것이다.
도 9은 TLM(Transmission Line Measurement)을 이용하여 측정한 IZO TFT의 접촉저항(a), IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 접촉저항(b), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 접촉저항(c)을 나타낸 것이다.
도 10는 IZO TFT(a), IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%)(b), IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)(c), IGZO(Ga의 도핑 농도: 5mol%)(d), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%)(e), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)(f), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%)(g)의 주사탐침현미경(atomic force microscope, AFM)이미지와 그에 따른 RMS roughness를 나타낸 것이고, IZO, IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%)의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴(h)을 나타낸 것이다.
도 11은 IYZO(Yb의 도핑 농도: 7mol%)(a), IYZO(Yb의 도핑 농도: 9mol%)(b), IGZO(Ga의 도핑 농도: 7mol%)(c), 및 IGZO(Ga의 도핑 농도: 9mol%)(d)의 전달특성 및 출력특성과, 이를 통해 도출해낸 전기적 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 12는 IYZO(Yb의 도핑 농도: 각각 2mol%, 5mol%, 13mol%, 19mol%, 24mol%)의 전달특성 및 출력특성과 이를 통해 도출해낸 드레인 전압 20.1V일 때의 이동도 특성을 나타낸 것이다.
도 13은 IYZO(Yb의 도핑 농도: 각각 5mol%, 10mol%, 15mol%, 20mol%, 25mol%)의 전달특성 및 출력특성과 이를 통해 도출해낸 드레인 전압 20.1V일 때의 이동도 특성을 나타낸 것이다.Figure 1 shows the transfer characteristics of an IZO TFT and an IGZO TFT (Ga doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (a), and the transfer characteristics of an IZO TFT and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (b).
Figure 2 shows the Hall measurement characteristics of an IZO TFT and an IGZO TFT (Ga doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (a), and the Hall measurement characteristics of an IZO TFT and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (b).
Figure 3 shows the stability evaluation of an IZO TFT (a), an IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (b), and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (c) under PBS conditions, and the stability evaluation of an IZO TFT (d), an IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (e), and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (f) under NBS conditions.
Figure 4 shows the stability evaluation of IZO TFT (g), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (h), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (i) under PBTS conditions, and the stability evaluation of IZO TFT (j), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (k), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (l) under NBTS conditions.
Figure 5 shows the stability evaluation of IZO TFT (m), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (n), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (o) under PBIS conditions, and the stability evaluation of IZO TFT (p), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (q), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (r) under NBIS conditions.
Figure 6 shows the evaluation of the optical response characteristics of an IZO TFT (a), an IGZO TFT (doping concentration of Ga: 1 mol%) (b), an IGZO TFT (doping concentration of Ga: 3 mol%) (c), an IGZO TFT (doping concentration of Ga: 5 mol%) (d), an IYZO TFT (doping concentration of Yb: 1 mol%) (e), an IYZO TFT (doping concentration of Yb: 3 mol%) (f), and an IYZO TFT (doping concentration of Yb: 5 mol%) (g).
Figure 7 shows O1s spectra of IZO (a), IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%) (b), IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%) (c), IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%) (d), and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%) (e) films.
Figure 8 shows the optical band gaps of IZO and IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (a), the band edge state of the IZO film (b), the band edge state of the IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%) film (c), the band edge state of the IGZO (doping concentration of Ga: 3 mol%) film (d), the band edge state of the IGZO (doping concentration of Ga: 5 mol%) film (e), the optical band gaps of IZO and IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (f), the band edge state of the IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%) film (g), the band edge state of the IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%) film (h), and the optical band gaps of the IZO and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%) shows the band edge state (i) of the film.
Figure 9 shows the contact resistance of an IZO TFT (a), the contact resistance of an IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%) (b), and the contact resistance of an IYZO (Yb doping concentration: 3 mol%) (c) measured using TLM (Transmission Line Measurement).
Figure 10 shows scanning probe microscope (AFM) images and their RMS roughnesses of IZO TFT (a), IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%) (b), IGZO (doping concentration of Ga: 3 mol%) (c), IGZO (doping concentration of Ga: 5 mol%) (d), IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%) (e), IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%) (f), and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%) (g), and X-ray diffraction (XRD) patterns of IZO, IGZO (doping concentration of Ga: 3 mol%), IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%), IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%), and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%). This shows the pattern (h).
Figure 11 shows the transfer characteristics and output characteristics of IYZO (Yb doping concentration: 7 mol%) (a), IYZO (Yb doping concentration: 9 mol%) (b), IGZO (Ga doping concentration: 7 mol%) (c), and IGZO (Ga doping concentration: 9 mol%) (d), and the results of evaluating the electrical characteristics derived therefrom.
Figure 12 shows the transfer characteristics and output characteristics of IYZO (Yb doping concentrations: 2 mol%, 5 mol%, 13 mol%, 19 mol%, and 24 mol%, respectively) and the mobility characteristics derived therefrom when the drain voltage is 20.1 V.
Figure 13 shows the transfer characteristics and output characteristics of IYZO (Yb doping concentrations: 5 mol%, 10 mol%, 15 mol%, 20 mol%, and 25 mol%, respectively) and the mobility characteristics derived therefrom when the drain voltage is 20.1 V.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the contents disclosed below, and may be modified in various forms as long as the gist of the invention is not changed.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In this specification, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean that other components are excluded, but rather that other components may be included, unless otherwise specifically stated.
본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.All numbers and expressions indicating the amounts of ingredients, reaction conditions, etc. described in this specification should be understood as being modified by the term "about" in all cases unless otherwise specified.
본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 형성되는 것으로 기재되는 것은, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 상 또는 하에 직접, 또는 또 다른 구성요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함한다.When it is described in this specification that one component is formed on or below another component, it includes both that one component is formed directly on or below the other component, or indirectly through the interposition of another component.
본 명세서에 기재되는 구성 요소의 크기, 물성 등을 한정하는 수치 범위에서, 상한값만 한정된 수치 범위와 하한값만 한정된 수치 범위가 별개로 예시되어 있을 경우에, 이들 상한값과 하한값이 조합된 수치 범위도 본 발명의 예시적 범위에 포함되는 것으로 이해하여야 한다.In the numerical ranges that limit the size, physical properties, etc. of the components described in this specification, if a numerical range limited only to an upper limit and a numerical range limited only to a lower limit are separately exemplified, it should be understood that a numerical range in which these upper and lower limits are combined is also included in the exemplary range of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 반도체는 이터븀(Yb)이 도핑되고, 인듐(In) 및 아연(Zn)을 함유하는 산화물을 포함한다. An oxide semiconductor according to one embodiment of the present invention includes an oxide doped with ytterbium (Yb) and containing indium (In) and zinc (Zn).
대표적인 비정질 산화물 반도체(AOS)인 IZO는 높은 전자 이동도를 갖는 장점이 있어 많은 연구가 이루어졌으나, 다양한 바이어스 스트레스(bias stress) 조건에서 신뢰성과 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 어닐링 공정을 통해 전기적 특성 및 안정성을 모두 향상시키고자 하는 시도가 있었으나, 어닐링 온도가 400℃ 이상으로 증가하는 경우, 캐리어 농도의 증가로 인해 Vth가 음의 방향으로 이동하여 안정성이 저하되는 문제가 있다. IZO, a representative amorphous oxide semiconductor (AOS), has been studied extensively due to its advantage of high electron mobility, but has the disadvantage of low reliability and stability under various bias stress conditions. Therefore, attempts have been made to improve both electrical characteristics and stability through an annealing process, but when the annealing temperature increases above 400℃, there is a problem that V th moves in the negative direction due to the increase in carrier concentration, which deteriorates stability.
이에, 전기적 특성과 안정성을 모두 향상시키기 위해서 Ga를 도입한 IGZO가 사용되고 있으나, Ga는 가격 변동이 심해 안정적인 공급이 어려운 문제가 있다. 또한, Ga의 함량이 증가할수록 이동도 및 안정성이 저하될 수 있다. Accordingly, IGZO with Ga introduced is being used to improve both electrical characteristics and stability, but there is a problem that the price of Ga fluctuates greatly, making it difficult to secure a stable supply. In addition, as the content of Ga increases, mobility and stability may decrease.
본 발명에 따른 산화물 반도체는 희토류 원소 중 매장량이 가장 풍부한 Yb을 IZO에 도핑한 것으로, Ga에 비해서 안정적인 공급이 가능하며, Ga를 도핑한 경우에 비해서 전기적 특성 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다. The oxide semiconductor according to the present invention is IZO doped with Yb, which is the most abundant rare earth element, and thus has a stable supply compared to Ga, and can further improve electrical characteristics and stability compared to the case of Ga doping.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Yb의 도핑 농도가 1mol% 내지 10mol%일 수 있다. 예를 들어, 상기 Yb의 도핑 농도는 1mol% 내지 9mol%, 2mol% 내지 10mol% 또는 3mol% 내지 9mol%일 수 있다. 상기 Yb의 도핑 농도는, 모든 금속 성분들(In, Yb, Zn)의 몰 수의 합에 대한 Yb의 몰 수의 백분율(mol%)로 산출될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the doping concentration of Yb may be 1 mol% to 10 mol%. For example, the doping concentration of Yb may be 1 mol% to 9 mol%, 2 mol% to 10 mol%, or 3 mol% to 9 mol%. The doping concentration of Yb may be calculated as a percentage (mol%) of the molar number of Yb to the sum of the molar numbers of all metal components (In, Yb, Zn).
상기 In과 상기 Yb의 몰비는 1 : 0.001 내지 0.8일 수 있다. 예를 들어, 상기 In과 상기 Yb의 몰비는 1 : 0.001 내지 0.7, 1 : 0.001 내지 0.6, 1 : 0.001 내지 0.5, 1 : 0.001 내지 0.3, 1 : 0.001 내지 0.1, 1 : 0.001 내지 0.05 또는 1 : 0.001 내지 0.02일 수 있다. The molar ratio of the In and the Yb may be 1:0.001 to 0.8. For example, the molar ratio of the In and the Yb may be 1:0.001 to 0.7, 1:0.001 to 0.6, 1:0.001 to 0.5, 1:0.001 to 0.3, 1:0.001 to 0.1, 1:0.001 to 0.05, or 1:0.001 to 0.02.
일 구체예에 따르면, 상기 In, Yb 및 Zn의 원자비는 하기 식 A1 내지 A3을 만족할 수 있다. According to one specific example, the atomic ratio of In, Yb and Zn can satisfy the following formulas A1 to A3.
[식 A1][Formula A1]
0.2 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.990.2 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.99
[식 A2][Formula A2]
0.29 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.990.29 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.99
[식 A3][Formula A3]
0.1 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.990.1 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.99
다른 구체예에 따르면, 상기 In, Yb 및 Zn의 원자비는 하기 식 B1 내지 B3을 만족할 수 있다. According to another specific example, the atomic ratio of In, Yb and Zn can satisfy the following formulas B1 to B3.
[식 B1][Formula B1]
0.2 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.80.2 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.8
[식 B2][Formula B2]
0.29 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.990.29 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.99
[식 B3][Formula B3]
0.29 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.990.29 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.99
또 다른 구체예에 따르면, 상기 In, Yb 및 Zn의 원자비는 하기 식 C1 내지 C3을 만족할 수 있다. According to another specific example, the atomic ratio of In, Yb and Zn can satisfy the following formulas C1 to C3.
[식 C1][Formula C1]
0.8 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.990.8 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.99
[식 C2][Formula C2]
0.59 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.990.59 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.99
[식 C3][Formula C3]
0.1 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.980.1 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.98
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화물 반도체는 1.3 cm2/Vs 이상의 홀 이동도(hall mobility)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 홀 이동도가 1.35 cm2/Vs 이상, 1.4 cm2/Vs 이상 또는 1.42 cm2/Vs 이상일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the oxide semiconductor can have a hall mobility of 1.3 cm 2 /Vs or more. For example, the oxide semiconductor can have a hall mobility of 1.35 cm 2 /Vs or more, 1.4 cm 2 /Vs or more, or 1.42 cm 2 /Vs or more.
상기 산화물 반도체는 1.2 × 1016 cm-3 이상의 캐리어 농도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 캐리어 농도가 1.21 × 1016 cm-3 이상, 1.22 × 1016 cm-3 이상 또는 1.24 × 1016 cm-3 이상일 수 있다. The oxide semiconductor may have a carrier concentration of 1.2 × 10 16 cm -3 or more. For example, the oxide semiconductor may have a carrier concentration of 1.21 × 10 16 cm -3 or more, 1.22 × 10 16 cm -3 or more, or 1.24 × 10 16 cm -3 or more.
상기 산화물 반도체는 -40V 내지 40V의 문턱 전압(threshold voltage, Vth)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 문턱 전압 -40V 내지 40V, -30V 내지 30V, -20V 내지 25V, -10V내 지 20V, -10V 내지 15V, -5V 내지 15V, -5V 내지 10V, 0V 내지 5V일 수 있다. The oxide semiconductor may have a threshold voltage (V th ) of -40 V to 40 V. For example, the oxide semiconductor may have a threshold voltage of -40 V to 40 V, -30 V to 30 V, -20 V to 25 V, -10 V to 20 V, -10 V to 15 V, -5 V to 15 V, -5 V to 10 V, or 0 V to 5 V.
또한 상기 산화물 반도체는 -6V 내지 3V의 문턱 전압 변화량(Δthreshold voltage, ΔVth)을 가질 수 있다. Additionally, the oxide semiconductor can have a threshold voltage variation (Δthreshold voltage, ΔV th ) of -6 V to 3 V.
일 구체예에 있어서, 상기 산화물 반도체는 1.3 cm2/Vs 이상의 홀 이동도(hall mobility), 1.2 × 1016 cm-3 이상의 캐리어 농도, 및 -6V 내지 3V의 문턱 전압 변화량(Δthreshold voltage, ΔVth)을 가질 수 있다.In one specific example, the oxide semiconductor can have a hall mobility of 1.3 cm 2 /Vs or more, a carrier concentration of 1.2 × 10 16 cm -3 or more, and a threshold voltage (ΔV th ) of -6 V to 3 V.
일 구체예에 있어서, 상기 산화물 반도체의 문턱 전압 변화량(ΔVth)은 포지티브 바이어스 스트레스(positive bias stress, PBS) 및 네거티브 바이어스 스트레스(negative bias stress, NBS)의 조건에서 -3V 내지 2.8V일 수 있고, 포지티브 바이어스 열적 스트레스(positive bias temperature stress, PBTS) 및 네거티브 바이어스 열적 스트레스(negative bias temperature stress, NBTS)의 조건에서 -5V 내지 4V일 수 있으며, 포지티브 바이어스 일루미네이션 스트레스(positive bias illumination stress, PBIS) 및 네거티브 바이어스 일루미네이션 스트레스(negative bias illumination stress, NBIS)의 조건에서 -6V 내지 1.5V일 수 있다. In one specific example, the threshold voltage variation (ΔV th ) of the oxide semiconductor can be -3 V to 2.8 V under conditions of positive bias stress (PBS) and negative bias stress (NBS), can be -5 V to 4 V under conditions of positive bias temperature stress (PBTS) and negative bias temperature stress (NBTS), and can be -6 V to 1.5 V under conditions of positive bias illumination stress (PBIS) and negative bias illumination stress (NBIS).
보다 구체적으로, 상기 산화물 반도체의 문턱 전압 변화량(ΔVth)은 PBS 및 NBS의 조건에서 -3V 내지 2.6V, -2.8V 내지 2.5V 또는 -2.6V 내지 2.4V일 수 있고, PBTS 및 NBTS의 조건에서 -4.5V 내지 4V, -4V 내지 3.5V 또는 -3.5V 내지 3V일 수 있으며, PBIS 및 NBIS의 조건에서 -5.8V 내지 1.5V, -5.5V 내지 1.3V 또는 -5.2V 내지 1.2V일 수 있다.More specifically, the threshold voltage variation (ΔV th ) of the oxide semiconductor can be -3 V to 2.6 V, -2.8 V to 2.5 V or -2.6 V to 2.4 V under the conditions of PBS and NBS, -4.5 V to 4 V, -4 V to 3.5 V or -3.5 V to 3 V under the conditions of PBTS and NBTS, and -5.8 V to 1.5 V, -5.5 V to 1.3 V or -5.2 V to 1.2 V under the conditions of PBIS and NBIS.
상기 산화물 반도체는 1cm2/Vs 내지 120cm2/Vs의 전자 이동도(electron mobility)를 가질 수 있다. 예를 들어 상기 산화물 반도체의 전자 이동도는 1cm2/Vs 이상, 5cm2/Vs 이상 또는 10cm2/Vs 이상일 수 있고, 또한 120cm2/Vs 이하, 100cm2/Vs이하, 80cm2/Vs 이하, 60cm2/Vs 이하, 40cm2/Vs 이하 또는 30cm2/Vs 이하일 수 있다. 구체적으로 상기 산화물 반도체의 전자 이동도는 1cm2/Vs 내지 120cm2/Vs, 5cm2/Vs 내지 110cm2/Vs, 5cm2/Vs 내지 100cm2/Vs, 10cm2/Vs 내지 90cm2/Vs, 15cm2/Vs 내지 80cm2/Vs, 25cm2/Vs 내지 70cm2/Vs, 30cm2/Vs 내지 60cm2/Vs, 35cm2/Vs 내지 50cm2/Vs, 또는 1cm2/Vs내지 40cm2/Vs일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 산화물 반도체는 전자 이동도가 1cm2/Vs내지 40cm2/Vs일 수 있다.The oxide semiconductor may have an electron mobility of 1 cm 2 /Vs to 120 cm 2 /Vs. For example, the electron mobility of the oxide semiconductor may be 1 cm 2 /Vs or more, 5 cm 2 /Vs or more, or 10 cm 2 /Vs or more, and may also be 120 cm 2 /Vs or less, 100 cm 2 /Vs or less, 80 cm 2 /Vs or less, 60 cm 2 /Vs or less, 40 cm 2 /Vs or less, or 30 cm 2 /Vs or less. Specifically , the electron mobility of the oxide semiconductor may be 1 cm 2 /Vs to 120 cm 2 /Vs, 5 cm 2 /Vs to 110 cm 2 /Vs, 5 cm 2 /Vs to 100 cm 2 /Vs, 10 cm 2 /Vs to 90 cm 2 /Vs, 15 cm 2 /Vs to 80 cm 2 /Vs, 25 cm 2 /Vs to 70 cm 2 /Vs, 30 cm 2 /Vs to 60 cm 2 /Vs, 35 cm 2 /Vs to 50 cm 2 /Vs, or 1 cm 2 /Vs to 40 cm 2 /Vs. In one specific example, the oxide semiconductor may have an electron mobility of 1 cm 2 /Vs to 40 cm 2 /Vs.
상기 산화물 반도체는 0.06V/decade 내지 2V/decade의 문턱 전압이하 스윙(subthreshold swing, SS)을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 SS가 0.06V/decade 내지 1.8 V/decade, 0.1 V/decade 내지 1.6 V/decade, 0.12 V/decade 내지 1.4 V/decade, 0.16 V/decade 내지 1.2V/decade, 0.2 V/decade내지 1.0 V/decade, 0.24 V/decade 내지 0.8V/decade, 0.3 V/decade 내지 0.7 V/decade, 또는 0.4 V/decade 내지 0.55 V/decade일 수 있다.The oxide semiconductor can have a subthreshold swing (SS) of 0.06 V/decade to 2 V/decade. For example, the oxide semiconductor can have a SS of 0.06 V/decade to 1.8 V/decade, 0.1 V/decade to 1.6 V/decade, 0.12 V/decade to 1.4 V/decade, 0.16 V/decade to 1.2 V/decade, 0.2 V/decade to 1.0 V/decade, 0.24 V/decade to 0.8 V/decade, 0.3 V/decade to 0.7 V/decade, or 0.4 V/decade to 0.55 V/decade.
상기 산화물 반도체는 1x1012cm-2eV-1 내지 5x1012cm-2eV-1의 계면 트랩 밀도(interface trap density, Dit)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 Dit가 1.5x1012cm-2eV-1 내지 5.0x1012cm-2eV-1, 2.0x1012cm-2eV-1 내지 4.5x1012cm-2eV-1, 2.51x1012cm-2eV-1 내지 4.0x1012cm-2eV-1, 또는 3.0x1012cm-2eV-1 내지 3.5x1012cm-2eV-1일 수 있다. The oxide semiconductor can have an interface trap density (D it ) of 1x10 12 cm -2 eV -1 to 5x10 12 cm -2 eV -1 . For example, the oxide semiconductor can have D it of 1.5x10 12 cm -2 eV -1 to 5.0x10 12 cm -2 eV -1 , 2.0x10 12 cm -2 eV -1 to 4.5x10 12 cm -2 eV -1 , 2.51x10 12 cm -2 eV -1 to 4.0x10 12 cm -2 eV -1 , or 3.0x10 12 cm -2 eV -1 to 3.5x10 12 cm -2 eV -1 .
상기 산화물 반도체는 1.0x106 내지 5.0x106의 온/오프비(on/off ratio)를 갖는다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 온/오프비가 1.5x106 내지 5.0x106, 2.0x106 내지 4.5x106, 2.5x106 내지 4.0x106, 3.0x106 내지 4.0x106, 또는 3.0x106 내지 3.5x106 일 수 있다. The oxide semiconductor has an on/off ratio of 1.0x10 6 to 5.0x10 6 . For example, the oxide semiconductor may have an on/off ratio of 1.5x10 6 to 5.0x10 6 , 2.0x10 6 to 4.5x10 6 , 2.5x10 6 to 4.0x10 6 , 3.0x10 6 to 4.0x10 6 , or 3.0x10 6 to 3.5x10 6 .
상기 산화물 반도체는 XPS 분석 시에 45% 내지 70%의 M-O 결합 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 M-O 결합 비율이 50% 내지 70%, 50% 내지 65%, 55% 내지 65%, 또는 55% 내지 60%일 수 있다. 또한, 상기 산화물 반도체는 XPS 분석 시에 15% 내지 50%의 산소공공 (oxygen vacancy, Vo) 비율을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 산소 공공 비율이 15% 내지 45%, 20% 내지 40%, 25% 내지 40%, 25% 내지 35%, 또는 25% 내지 30%일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 산화물 반도체는 45% 내지 70%의 M-O 결합 비율과, 15% 내지 50%의 산소공공 비율을 가질 수 있다.The oxide semiconductor may have an M-O bonding ratio of 45% to 70% when analyzed by XPS. For example, the oxide semiconductor may have an M-O bonding ratio of 50% to 70%, 50% to 65%, 55% to 65%, or 55% to 60%. Furthermore, the oxide semiconductor may have an oxygen vacancy (Vo) ratio of 15% to 50% when analyzed by XPS. For example, the oxide semiconductor may have an oxygen vacancy ratio of 15% to 45%, 20% to 40%, 25% to 40%, 25% to 35%, or 25% to 30%. In one specific example, the oxide semiconductor may have an M-O bonding ratio of 45% to 70% and an oxygen vacancy ratio of 15% to 50%.
상기 산화물 반도체는 0.1nm 내지 0.5nm의 RMS(root mean square) 표면 조도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 RMS 표면 조도가 0.15nm 내지 0.50nm, 0.20nm 내지 0.45nm, 0.25nm 내지 0.40nm, 또는 0.30nm 내지 0.35nm일 수 있다. The oxide semiconductor can have a root mean square (RMS) surface roughness of 0.1 nm to 0.5 nm. For example, the oxide semiconductor can have an RMS surface roughness of 0.15 nm to 0.50 nm, 0.20 nm to 0.45 nm, 0.25 nm to 0.40 nm, or 0.30 nm to 0.35 nm.
상기 산화물 반도체는 5000Ω 내지 200000Ω의 접촉저항을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체는 접촉 저항이 5000Ω 내지 190000Ω, 10000Ω 내지 180000Ω, 20000Ω 내지 170000Ω, 30000Ω 내지 160000Ω, 40000Ω 내지 150000Ω, 50000Ω 내지 140000Ω, 60000Ω 내지 130000Ω, 70000Ω 내지 120000Ω, 80000Ω 내지 110000Ω, 또는 90000Ω 내지 100000Ω일 수 있다. The above oxide semiconductor can have a contact resistance of 5000Ω to 200000Ω. For example, the oxide semiconductor can have a contact resistance of 5000Ω to 190000Ω, 10000Ω to 180000Ω, 20000Ω to 170000Ω, 30000Ω to 160000Ω, 40000Ω to 150000Ω, 50000Ω to 140000Ω, 60000Ω to 130000Ω, 70000Ω to 120000Ω, 80000Ω to 110000Ω, or 90000Ω to 100000Ω.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자는 기재; 상기 기재 상에 형성된 유전층; 상기 유전층 상에 형성된 상기 산화물 반도체를 포함하는 반도체층; 및 상기 반도체층 상에 형성된 전극을 포함한다. According to another embodiment of the present invention, a semiconductor device includes: a substrate; a dielectric layer formed on the substrate; a semiconductor layer including the oxide semiconductor formed on the dielectric layer; and an electrode formed on the semiconductor layer.
상기 기재는 반도체 소자를 형성하기 위한 베이스로서, 소재 면에서 특별하게 한정되지 않으나, 예를 들어 실리콘, 유리, 플라스틱, 금속 호일 등이 가능하다. 상기 기재는 플레이트 형상이거나, 기재 상에 몰리브덴(Mo) 또는 알루미늄(Al)과 같은 금속 물질을 증착 및 패터닝하여 특정 패턴을 갖도록 형성된 것일 수 있다. 또는, 상기 기재는 게이트 전극으로 사용되기 위하여 전도성 물질인 금속 또는 금속 산화물을 포함할 수 있고, 구체적으로 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크로뮴(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti) 및 은(Ag) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 기재의 두께는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들어 0.0001 mm 이상, 0.0005 mm 이상, 0.001 mm 이상, 0.005 mm 이상, 0.01 mm 이상, 0.05 mm 이상, 0.1 mm 이상, 0.5 mm 이상 또는 1 mm 이상일 수 있으며, 또한 10 mm 이하, 5 mm 이하, 3 mm 이하 또는 2 mm 이하일 수 있다.The above substrate is a base for forming a semiconductor element, and is not particularly limited in terms of material, but may include, for example, silicon, glass, plastic, metal foil, etc. The substrate may have a plate shape, or may be formed to have a specific pattern by depositing and patterning a metal material such as molybdenum (Mo) or aluminum (Al) on the substrate. Alternatively, the substrate may include a metal or metal oxide that is a conductive material to be used as a gate electrode, and specifically, may include at least one of molybdenum (Mo), aluminum (Al), chromium (Cr), gold (Au), titanium (Ti), and silver (Ag). The thickness of the above-mentioned substrate is not particularly limited, and may be, for example, 0.0001 mm or more, 0.0005 mm or more, 0.001 mm or more, 0.005 mm or more, 0.01 mm or more, 0.05 mm or more, 0.1 mm or more, 0.5 mm or more, or 1 mm or more, and may also be 10 mm or less, 5 mm or less, 3 mm or less, or 2 mm or less.
상기 유전층은 기재 상에 형성되어 기재와 반도체층 및 전극을 절연시키는 역할을 한다. 상기 유전층은 일반적인 반도체 공정에서 사용되는 절연 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 유전층은 산화실리콘(SiO2), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2) 및 질화실리콘(Si3N4)로 이루어진 군에서 선택되는 유전체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 유전층은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 물리 기상 증착법, 원자층 증착법, 유기금속 화학 증착법, 플라즈마 화학 증착법, 분자선 성장법, 수소화물 기상 성장법, 스퍼터링, 스핀 코팅, 딥 코팅 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 유전층의 두께는 10 nm 이상, 20 nm 이상, 30 nm 이상 또는 50 nm 이상일 수 있고, 또한 500 nm 이하, 300 nm 이하, 200 nm 이하 또는 100 nm 이하일 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 유전층의 두께는 50 nm 내지 200 nm일 수 있다.The dielectric layer is formed on a substrate and serves to insulate the substrate, the semiconductor layer, and the electrode. The dielectric layer may include an insulating material used in a general semiconductor process. For example, the dielectric layer may include at least one of a dielectric selected from the group consisting of silicon oxide (SiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and silicon nitride (Si 3 N 4 ). The dielectric layer may be formed using a method such as vacuum deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer deposition, metalorganic chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor deposition, sputtering, spin coating, or dip coating. The thickness of the dielectric layer may be 10 nm or more, 20 nm or more, 30 nm or more, or 50 nm or more, and may also be 500 nm or less, 300 nm or less, 200 nm or less, or 100 nm or less. As a specific example, the thickness of the dielectric layer may be 50 nm to 200 nm.
상기 반도체층은 앞서 설명한 산화물 반도체로 구성될 수 있다. 상기 반도체층은 용액 공정 또는 증착 공정에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히 기존의 산화물 반도체를 이용한 박막 트랜지스터(TFT)는 스핀 코팅과 같은 용액 공정으로만 제작이 가능한 경우가 있었으나, 본 발명에 따른 산화물 반도체는 스퍼터, 원자층 증착법(ALD), 화학 기상 증착법(CVD) 등 기타 박막 공정에도 적용이 가능하므로, 향후 디스플레이뿐만 아니라 인공지능(AI)용 메모리 반도체의 소재로도 유용하다.The semiconductor layer may be composed of the oxide semiconductor described above. The semiconductor layer may be formed by a solution process or a deposition process, but is not limited thereto. In particular, while a thin film transistor (TFT) using a conventional oxide semiconductor may be manufactured only by a solution process such as spin coating, the oxide semiconductor according to the present invention can be applied to other thin film processes such as sputtering, atomic layer deposition (ALD), and chemical vapor deposition (CVD), and therefore, it is useful as a material for memory semiconductors for artificial intelligence (AI) as well as displays in the future.
상기 반도체층의 두께는 1 nm 이상, 5 nm 이상, 10 nm 이상, 20 nm 이상, 또는 30 nm 이상일 수 있고, 또한 500 nm 이하, 300 nm 이하, 200 nm 이하, 100 nm 이하, 또는 50 nm 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 반도체층의 두께는 5 nm 내지 50 nm, 10 nm 내지 100 nm, 10 nm 내지 50 nm, 10 nm 내지 40 nm, 10 nm 내지 25 nm, 20 nm 내지 100 nm, 20 nm 내지 50 nm, 20 nm 내지 40 nm, 40 nm 내지 100 nm, 또는 20 nm 내지 40 nm일 수 있다. 일 구체예에 있어서, 상기 반도체층의 두께가 5 nm 내지 50 nm일 수 있다.The thickness of the semiconductor layer can be 1 nm or more, 5 nm or more, 10 nm or more, 20 nm or more, or 30 nm or more, and can also be 500 nm or less, 300 nm or less, 200 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less. For example, the thickness of the semiconductor layer can be 5 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 10 nm to 50 nm, 10 nm to 40 nm, 10 nm to 25 nm, 20 nm to 100 nm, 20 nm to 50 nm, 20 nm to 40 nm, 40 nm to 100 nm, or 20 nm to 40 nm. In one specific example, the thickness of the semiconductor layer can be 5 nm to 50 nm.
상기 전극은 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있고, 이들은 서로 이격되어 배치되며 상기 반도체층과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 전극은 금속 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 구리(Cu), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 ITZO(Indium Tin Zinc Oxide)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극은 상기 반도체층 상에 도전막을 증착하고 그 위에 포토레지스트 패턴을 형성한 후 이를 마스크로 하여 도전막을 패터닝함으로써 얻을 수 있다. 상기 도전막은 진공 증착법, 화학 기상 증착법, 물리 기상 증착법, 원자층 증착법, 유기금속 화학 증착법, 플라즈마 화학 증착법, 분자선 성장법, 수소화물 기상 성장법, 스퍼터링, 스핀 코팅, 딥 코팅 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.The above electrode may include a source electrode and a drain electrode, which are arranged to be spaced apart from each other and may be electrically connected to the semiconductor layer. The electrode may be formed of a metal material, and may include at least one selected from the group consisting of, for example, molybdenum (Mo), aluminum (Al), chromium (Cr), gold (Au), titanium (Ti), nickel (Ni), neodymium (Nd), copper (Cu), indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), and indium tin zinc oxide (ITZO), but is not limited thereto. The electrode may be obtained by depositing a conductive film on the semiconductor layer, forming a photoresist pattern thereon, and then patterning the conductive film using the photoresist pattern as a mask. The above-mentioned conductive film can be formed using a method such as vacuum deposition, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, atomic layer deposition, organic metal chemical vapor deposition, plasma chemical vapor deposition, molecular beam epitaxy, hydride vapor deposition, sputtering, spin coating, or deep coating.
상기 전극의 두께는 5 nm 이상, 10 nm 이상, 30 nm 이상 또는 50 nm 이상일 수 있고, 또한 500 nm 이하, 300 nm 이하, 200 nm 이하 또는 100 nm 이하일 수 있다. 일례로서, 상기 전극의 두께는 10 nm 내지 200 nm일 수 있다.The thickness of the electrode may be 5 nm or more, 10 nm or more, 30 nm or more, or 50 nm or more, and may also be 500 nm or less, 300 nm or less, 200 nm or less, or 100 nm or less. As an example, the thickness of the electrode may be 10 nm to 200 nm.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 상기 반도체 소자를 포함한다. 구체적으로, 본 발명의 반도체 소자는 디스플레이 장치 등에 적용되는 전계효과 트랜지스터(FET)로 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로 박막 트랜지스터(TFT)로 사용될 수 있다. A thin film transistor according to another embodiment of the present invention includes the semiconductor element. Specifically, the semiconductor element of the present invention can be used as a field effect transistor (FET) applied to a display device, and more specifically, can be used as a thin film transistor (TFT).
TLM(Transmission Line Measurement)을 이용하여 측정한 IZO의 접촉저항(RC0) 및 상기 박막 트랜지스터의 접촉저항(RC1)의 비율(RC1/RC0)이 5 이하일 수 있다. 예를 들어, TLM을 이용하여 측정한 IZO의 접촉저항(RC0) 및 상기 박막 트랜지스터의 접촉저항(RC1)의 비율(RC1/RC0)은 4.5 이하, 4 이하, 3.5 이하, 3 이하, 2.5 이하 또는 2 이하일 수 있다. The ratio (R C1 /R C0 ) of the contact resistance (R C0 ) of the IZO measured using TLM (Transmission Line Measurement) and the contact resistance (R C1 ) of the thin film transistor may be 5 or less. For example, the ratio (R C1 /R C0 ) of the contact resistance (R C0 ) of the IZO measured using TLM and the contact resistance (R C1 ) of the thin film transistor may be 4.5 or less, 4 or less, 3.5 or less, 3 or less, 2.5 or less, or 2 or less.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디스플레이 장치는 상기 박막 트랜지스터를 포함한다. 구체적으로, 상기 반도체 소자는 액정 디스플레이(LCD)나 유기발광 디스플레이(OLED) 장치 등에서 픽셀 구동 소자로 쓰이는 트랜지스터로 사용된다.A display device according to another embodiment of the present invention includes the thin film transistor. Specifically, the semiconductor element is used as a transistor used as a pixel driving element in a liquid crystal display (LCD) or an organic light emitting display (OLED) device.
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.The above contents are explained in more detail by the following examples. However, the following examples are only intended to illustrate the present invention, and the scope of the examples is not limited to these examples.
산화물 반도체의 제조Manufacturing of oxide semiconductors
실시예 1Example 1
P형 도핑된 Si 웨이퍼 상에 습식 산화에 의해 성장된 100nm SiO2 층을 갖는 SiO2 기판을 사용하였다. 여기서 Si층은 게이트로 사용되고, SiO2 층은 게이트 절연체로 사용되었다. 기판을 세제, 탈이온수, 이소프로판올, 아세톤의 순서로 초음파 세척기에서 각각 10분간 연속적으로 세척한 후 핫플레이트에서 150℃로 10분간 건조하였다. SiO2/Si 웨이퍼를 자외선 오존 클리너(AC-16, Ahtech)을 사용하여 185 nm 및 265 nm의 심자외선(DUV)을 10분간 조사한 후 IYZO 용액을 스핀 코팅하고 공기 중의 전기로에서 550℃로 60분간 어닐링하여 40nm의 박막을 증착하였다. IYZO 용액은 인듐 클로라이드(indium chloride, Sigma Aldrich)와 징크 아세테이트 디하이드레이트(zinc acetate dihydrate, Sigma Aldrich)를 2-메톡시에탄올(2-methoxy ethanol, Sigma Aldrich)에 각각 0.1M 용해시켰으며, 이터븀 클로라이드 디하이드레이트(ytterbium chloride dihydrate, Sigma Aldrich)를 1mol% 도핑 농도로 첨가하여 합성하였다. 상기 IYZO 박막에 포토리소그래피 공정을 통해 패턴을 형성하였으며, 이는 소자의 활성층으로 기능하였다. 상기 패턴화된 활성층에 리프트-오프(lift-off) 공정을 통해 100nm의 ITO 전극을 증착하여 Yb의 도핑 농도가 1mol%인 IYZO 산화물 반도체를 제조하였다. A SiO 2 substrate having a 100 nm SiO 2 layer grown by wet oxidation on a P-type doped Si wafer was used. Here, the Si layer was used as a gate, and the SiO 2 layer was used as a gate insulator. The substrate was washed successively in an ultrasonic cleaner with detergent, deionized water, isopropanol, and acetone for 10 min each, and then dried on a hot plate at 150 °C for 10 min. The SiO 2 /Si wafer was irradiated with deep ultraviolet (DUV) rays of 185 nm and 265 nm for 10 min using an ultraviolet-ozone cleaner (AC-16, Ahtech), spin-coated with an IYZO solution, and annealed in an electric furnace in air at 550 °C for 60 min to deposit a 40 nm thin film. The IYZO solution was synthesized by dissolving indium chloride (Sigma Aldrich) and zinc acetate dihydrate (Sigma Aldrich) in 2-methoxyethanol (Sigma Aldrich) at 0.1 M each and adding ytterbium chloride dihydrate (Sigma Aldrich) at a doping concentration of 1 mol%. A pattern was formed on the IYZO thin film through a photolithography process, which served as the active layer of the device. A 100 nm thick ITO electrode was deposited on the patterned active layer through a lift-off process to manufacture an IYZO oxide semiconductor with a Yb doping concentration of 1 mol%.
실시예 2Example 2
Yb의 도핑 농도를 3mol%로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 IYZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IYZO oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the doping concentration of Yb was set to 3 mol%.
실시예 3Example 3
Yb의 도핑 농도를 5mol%로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 IYZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IYZO oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the doping concentration of Yb was set to 5 mol%.
비교예 1Comparative Example 1
이터븀 클로라이드 디하이드레이트를 첨가하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 IZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IZO oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ytterbium chloride dihydrate was not added.
비교예 2Comparative Example 2
이터븀 클로라이드 디하이드레이트 대신에 갈륨 나이트레이트(gallium nitrate, Sigma Aldrich)를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 IGZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IGZO oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that gallium nitrate (Sigma Aldrich) was used instead of ytterbium chloride dihydrate.
비교예 3Comparative Example 3
Ga의 도핑 농도를 3mol%로 한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 방법으로 IGZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IGZO oxide semiconductor was manufactured using the same method as in Comparative Example 2, except that the doping concentration of Ga was set to 3 mol%.
비교예 4Comparative Example 4
Ga의 도핑 농도를 5mol%로 한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 방법으로 IGZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IGZO oxide semiconductor was manufactured using the same method as in Comparative Example 2, except that the doping concentration of Ga was set to 5 mol%.
실험예 1: 전기적 특성 평가(1)Experimental Example 1: Electrical Characteristics Evaluation (1)
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, 암실에서 HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 전달특성을 측정하여 전기적 특성을 평가하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the electrical characteristics were evaluated by measuring the transfer characteristics in a darkroom using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 1은 IZO TFT와 IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 전달 특성(transfer characteristics)(a), IZO TFT와 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 전달 특성(b)을 나타낸 것이다.Figure 1 shows the transfer characteristics of an IZO TFT and an IGZO TFT (Ga doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (a), and the transfer characteristics of an IZO TFT and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (b).
도 1에서 보는 바와 같이, Ga의 도핑 농도가 1mol%에서 5mol%로 증가할수록 Vth가 양의 방향으로 이동(shift)하고, 온 커런트(on current)는 감소하였으며(a), Yb의 도핑 농도가 1mol%에서 5mol%로 증가할수록 Vth가 양의 방향으로 이동(shift)하고, 온 커런트는 1mol%의 도핑 농도에서 증가하였다가 3mol% 및 5mol%의 도핑 농도에서 감소하였다(b). 하지만 IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 경우 IZO TFT 대비 온 커런트가 35%로 크게 감소하여 전기적 특성이 감소된 반면, IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)는 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%)보다 온 커런트가 감소하였음에도 IZO TFT 보다 높은 값을 가져 전기적 특성이 향상되었다. As shown in Fig. 1, as the doping concentration of Ga increased from 1 mol% to 5 mol%, V th shifted in the positive direction and the on current decreased (a), and as the doping concentration of Yb increased from 1 mol% to 5 mol%, V th shifted in the positive direction and the on current increased at the doping concentration of 1 mol% and then decreased at the doping concentrations of 3 mol% and 5 mol% (b). However, in the case of the IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%), the on current greatly decreased by 35% compared to the IZO TFT, which deteriorated the electrical characteristics, whereas in the case of the IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%), the on current decreased more than that of the IYZO TFT (Yb doping concentration: 1 mol%), but the electrical characteristics were improved because it had a higher value than that of the IZO TFT.
실험예 2: 전기적 특성 평가(2)Experimental Example 2: Electrical Characteristics Evaluation (2)
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, 암실에서 HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 측정된 전달특성을 통하여 전기적 특성 파라미터를 추출하여 평가하였다.For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, electrical characteristic parameters were extracted and evaluated through the transfer characteristics measured in a darkroom using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
표 1은 IZO TFT와 IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)와 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 전기적 특성 파라미터를 나타낸 것이다.Table 1 shows the electrical characteristic parameters of IZO TFTs, IGZO TFTs (Ga doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%), and IYZO TFTs (Yb doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%).
표 1에서 보는 바와 같이, IZO TFT는 문턱 전압이하 스윙(Subthreshold Swing)과 계면트랩밀도(Dit)가 각각 1.08 V/decade와 3.83×1012 cm-2eV-1인데 비해서, IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 경우 각각 0.63V/decade, 2.15×1012 cm-2eV-1로 감소하였으며, IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 경우에도 각각 0.51V/decade, 1.69×1012 cm-2eV-1로 감소하였다. 도핑에 의하여 계면의 결함 및 트랩을 감소시켜 스위칭 특성을 개선되었다.As shown in Table 1, the subthreshold swing and interface trap density (Dit) of the IZO TFT were 1.08 V/decade and 3.83×10 12 cm -2 eV -1, respectively, while those of the IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) were reduced to 0.63 V/decade and 2.15×10 12 cm -2 eV -1 , respectively. In the case of IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%), the switching characteristics were reduced to 0.51 V/decade and 1.69×10 12 cm -2 eV -1 , respectively. Switching characteristics were improved by reducing interface defects and traps through doping.
(cm2/Vs)Electron mobility
(cm 2 /Vs)
(V/decade)SS
(V/decade)
(x1012cm-2eV-1)D it
(x10 12 cm -2 eV -1 )
실험예 3: 전기적 특성 평가(3)Experimental Example 3: Electrical Characteristics Evaluation (3)
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, 상온에서 홀 측정 시스템(HMS-5000, Ecopia)를 이용하여 캐리어 농도, 홀 이동도, 비저항에 대한 특성을 평가하였다.For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the characteristics of carrier concentration, Hall mobility, and resistivity were evaluated using a Hall measurement system (HMS-5000, Ecopia) at room temperature.
도 2는 IZO TFT와 IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 홀 관련 특성(hall measurement characteristics)(a), 및 IZO TFT와 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)(b)의 홀 관련 특성을 나타낸 것이다. Figure 2 shows the Hall measurement characteristics of an IZO TFT and an IGZO TFT (Ga doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (a), and the Hall measurement characteristics of an IZO TFT and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (b).
도 2에서 보는 바와 같이, 홀 이동도(hall mobility)와 캐리어 농도는 IZO에서 각각 1.88 cm2/Vs 및 1.59 × 1016 cm-3인데 비해서, IGZO(Ga의 도핑 농도 3mol%)는 1.21 cm2/Vs 및 1.29 × 1016 cm-3이었고(a), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)는 1.45 cm2/Vs 및 1.24 × 1016 cm-3이었다(b). 도핑에 따라 전기적 특성이 일부 감소하는 경향이 있으나, Yb는 Ga에 비해서 전기적 특성이 저하되는 정도가 적었다. As shown in Fig. 2, the hall mobility and carrier concentration were 1.88 cm 2 /Vs and 1.59 × 10 16 cm -3 in IZO, while those in IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%) were 1.21 cm 2 /Vs and 1.29 × 10 16 cm -3 (a), and those in IYZO (Yb doping concentration: 3 mol%) were 1.45 cm 2 /Vs and 1.24 × 10 16 cm -3 (b). Although the electrical properties tend to decrease somewhat with doping, the degree of deterioration in the electrical properties of Yb was less than that of Ga.
실험예 4: 바이어스 안정성 평가Experimental Example 4: Bias Stability Evaluation
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 게이트 바이어스 스트레스에 따른 전달특성의 변화를 측정하여 바이어스 안정성을 평가하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the bias stability was evaluated by measuring the change in transfer characteristics according to the gate bias stress using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 3은 PBS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(a), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(b) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(c), 및 NBS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(d), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(e) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(f)를 나타낸 것이다. Figure 3 shows the stability evaluation of an IZO TFT (a), an IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (b), and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (c) under PBS conditions, and the stability evaluation of an IZO TFT (d), an IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (e), and an IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (f) under NBS conditions.
도 3에서 보는 바와 같이, IZO는 PBS 및 NBS의 조건에서 안정성이 낮았고, Ga 및 Yb를 도핑한 경우 IZO에 비해서 안정성이 개선되었다. 또한, Ga에 비해서 Yb를 도핑한 경우 안정성이 더욱 우수하였다. As shown in Fig. 3, IZO had low stability under the conditions of PBS and NBS, and when doped with Ga and Yb, the stability was improved compared to IZO. In addition, the stability was even better when doped with Yb than with Ga.
실험예 5: 열적 바이어스 안정성 평가Experimental Example 5: Evaluation of thermal bias stability
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 게이트 바이어스 및 온도 스트레스에 따른 전달특성의 변화를 측정하여 열적 바이어스 안정성을 평가하였다.For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the thermal bias stability was evaluated by measuring the change in transfer characteristics according to the gate bias and temperature stress using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 4는 PBTS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(g), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(h) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(i), 및 NBTS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(j), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(k) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(l)를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the stability evaluation of IZO TFT (g), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (h), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (i) under PBTS conditions, and the stability evaluation of IZO TFT (j), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (k), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (l) under NBTS conditions.
도 4에서 보는 바와 같이, IZO는 PBTS 및 NBTS의 조건에서 안정성이 낮았고, Ga 및 Yb를 도핑한 경우 IZO에 비해서 안정성이 개선되었다. 특히, Ga에 비해서 Yb를 도핑한 경우 열적 안정성이 더욱 우수하였다. As shown in Fig. 4, IZO had low stability under the conditions of PBTS and NBTS, and when doped with Ga and Yb, the stability was improved compared to IZO. In particular, when doped with Yb, the thermal stability was better than that of Ga.
실험예 6: 광적 바이어스 안정성 평가Experimental Example 6: Evaluation of Optical Bias Stability
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 게이트 바이어스 및 광 스트레스에 따른 전달특성의 변화를 측정하여 광적 바이어스 안정성을 평가하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the optical bias stability was evaluated by measuring the change in transfer characteristics according to the gate bias and optical stress using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 5는 PBIS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(m), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(n) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(o), 및 NBIS 조건에서, IZO TFT의 안정성 평가(p), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(q) 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 안정성 평가(r)를 나타낸 것이다.Figure 5 shows the stability evaluation of IZO TFT (m), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (n), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (o) under PBIS conditions, and the stability evaluation of IZO TFT (p), IGZO TFT (Ga doping concentration: 3 mol%) (q), and IYZO TFT (Yb doping concentration: 3 mol%) (r) under NBIS conditions.
도 5에서 보는 바와 같이, IZO는 PBIS 및 NBIS의 조건에서 안정성이 매우 낮았고, Ga 및 Yb를 도핑한 경우 IZO에 비해서 안정성이 개선되었다. 특히, Ga에 비해서 Yb를 도핑한 경우 광적 안정성이 더욱 우수하였다. 구체적으로, Yb는 IZO TFT의 도펀트로써 비정질 산화물 반도체의 낮은 안정성을 야기하는 산소 결함(oxygen vacancy, Vo)을 효과적으로 감소시켰음을 알 수 있다. As shown in Fig. 5, IZO had very low stability under the conditions of PBIS and NBIS, and when doped with Ga and Yb, the stability was improved compared to IZO. In particular, when doped with Yb, the optical stability was more excellent than when doped with Ga. Specifically, it can be seen that Yb effectively reduced oxygen vacancies (Vo), which cause low stability of amorphous oxide semiconductors, as a dopant of IZO TFTs.
실험예 7: 광 응답 특성 평가Experimental Example 7: Evaluation of Light Response Characteristics
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 암실과 명실에서 각각 측정된 전달특성의 변화를 비교하여 열적 바이어스 안정성을 평가하였다.For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the thermal bias stability was evaluated by comparing the changes in the transfer characteristics measured in a dark room and a bright room, respectively, using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 6은 IZO TFT(a), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 1mol%)(b), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 3mol%)(c), IGZO TFT(Ga의 도핑 농도: 5mol%)(d), IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 1mol%)(e), IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 3mol%)(f), 및 IYZO TFT(Yb의 도핑 농도: 5mol%)(g)의 광 응답 특성 평가를 나타낸 것이다. Figure 6 shows the evaluation of the optical response characteristics of an IZO TFT (a), an IGZO TFT (doping concentration of Ga: 1 mol%) (b), an IGZO TFT (doping concentration of Ga: 3 mol%) (c), an IGZO TFT (doping concentration of Ga: 5 mol%) (d), an IYZO TFT (doping concentration of Yb: 1 mol%) (e), an IYZO TFT (doping concentration of Yb: 3 mol%) (f), and an IYZO TFT (doping concentration of Yb: 5 mol%) (g).
도 6에서 보는 바와 같이, IZO는 1000 lux 이하에서 측정시 -2.6 V로 Vth가 음의 방향으로 이동(shift)한 반면, IGZO 및 IYZO는 도핑 농도가 증가함에 따라 광 응답 특성이 개선되었다. 특히, IYZO의 도핑 농도가 5mol%인 경우 -0.4 V로 크게 개선되었다. 이는 Yb가 Ga에 비해서 도핑시 Vo를 효과적으로 억제하였기 때문이다. As shown in Fig. 6, IZO showed a negative V th shift of -2.6 V when measured under 1000 lux, while IGZO and IYZO showed improved light response characteristics as the doping concentration increased. In particular, when the doping concentration of IYZO was 5 mol%, it was significantly improved to -0.4 V. This is because Yb effectively suppressed Vo when doped compared to Ga.
실험예 8: 화학적 결합 특성 변화(XPS)Experimental Example 8: Changes in chemical bonding properties (XPS)
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, Al Ka(1486.68 eV) X-선 광원을 적용한 X-선 광전자 분광기(XPS, NEXSA XPS, Thermo Fisher Scientific)를 이용하여 박막 내 광전자 방출에 의한 운동에너지를 측정하여 화학적 결합 특성을 평가하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the chemical bonding characteristics were evaluated by measuring the kinetic energy due to photoelectron emission within the thin film using an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, NEXSA XPS, Thermo Fisher Scientific) using an Al Ka (1486.68 eV) X-ray source.
도 7은 IZO(a), IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%)(b), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%)(c), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)(d), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%)(e) 필름의 O1s 스펙트럼을 나타낸 것이다. Figure 7 shows O1s spectra of IZO (a), IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%) (b), IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%) (c), IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%) (d), and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%) (e) films.
도 7에서 보는 바와 같이, Ga 및 Yb를 도핑함에 따라 Vo가 감소하는 경향을 나타내었다. Vo의 감소는 캐리어 농도를 감소시키므로 이로 인해 이동도(mobility)가 감소될 수 있다. 구체적으로, 도핑으로 인해 OⅠ(M-O)과 OⅢ(impurities) 피크가 증가하게 되는데, 특히 IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 경우 IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)에 비해서 OⅢ 피크의 비율이 높았다. OⅢ 피크의 증가는 스케터링(scattering) 발생의 원인이 되므로, 이동도 및 안정성의 감소를 유발시킨다. 또한, IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 경우 IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)에 비해서 OⅠ의 피크 비율이 높고 OⅡ의 피크 비율이 낮았다. 이는, IYZO가 IGZO에 비해서 M-O 결합을 촉진시켜 효과적으로 Vo를 억제하였음을 알 수 있으며, 그에 따라 안정성이 향상에 기여했음을 알 수 있다. As shown in Fig. 7, Vo tends to decrease as Ga and Yb are doped. A decrease in Vo reduces the carrier concentration, which may decrease the mobility. Specifically, doping causes an increase in O Ⅰ (MO) and O Ⅲ (impurities) peaks, and in particular, the ratio of the O Ⅲ peak was higher in the case of IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%) than in IYZO (Yb doping concentration: 3 mol%). An increase in the O Ⅲ peak causes scattering, which induces a decrease in mobility and stability. In addition, the ratio of the O Ⅰ peak was higher and the ratio of the O Ⅱ peak was lower in the case of IYZO (Yb doping concentration: 3 mol%) than in IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%). This shows that IYZO effectively suppresses Vo by promoting MO bonding compared to IGZO, thereby contributing to the improvement of stability.
실험예 9: 밴드 앳지 상태 비교Experimental Example 9: Comparison of Band Edge States
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, UV-visible spectroscopy(V-670, Jasco)를 이용하여 흡광 계수를 측정하여 밴드 앳지 상태를 비교하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the absorption coefficient was measured using UV-visible spectroscopy (V-670, Jasco) to compare the band edge states.
도 8은 IZO와 IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 광학 밴드갭(optical bandgap)(a), IZO 필름의 밴드 앳지 상태(band edge state)(b), IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(c), IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(d), IGZO(Ga의 도핑 농도: 5mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(e), IZO와 IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%, 3mol%, 5mol%)의 광학 밴드갭(f), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(g), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(h), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%) 필름의 밴드 앳지 상태(i)를 나타낸 것이다. Figure 8 shows the optical band gaps of IZO and IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (a), the band edge state of the IZO film (b), the band edge state of the IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%) film (c), the band edge state of the IGZO (doping concentration of Ga: 3 mol%) film (d), the band edge state of the IGZO (doping concentration of Ga: 5 mol%) film (e), the optical band gaps of IZO and IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%, 3 mol%, 5 mol%) (f), the band edge state of the IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%) film (g), the band edge state of the IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%) film (h), and the optical band gaps of the IZO and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%) shows the band edge state (i) of the film.
도 8에서 보는 바와 같이, IGZO 및 IYZO 모두 도핑에 따라 광학 밴드갭이 증가하였다. 구체적으로, IGZO는 도핑 농도가 증가함에 따라 딥 밴드 앳지 상태(deep band edge state)의 면적이 증가하였으며, 섀로우 밴드 앳지 상태(shallow band edge state)의 면적은 감소하였다. 반면, IYZO는 섀로우 밴드 앳지 상태의 면적이 도핑 농도가 1mol%일 때는 증가했다가, 도핑 농도가 3mol%부터 점차 감소하였다. 섀로우 밴드 앳지 상태 면적은 Vo에 의한 캐리어 농도에 비례하며, 딥 밴드 앳지 상태의 면적은 스케터링에 비례하므로, IYZO의 경우 안정성이 더욱 향상되었음을 알 수 있다. As shown in Fig. 8, both IGZO and IYZO showed an increase in the optical band gap depending on the doping. Specifically, in IGZO, the area of the deep band edge state increased as the doping concentration increased, and the area of the shallow band edge state decreased. On the other hand, in IYZO, the area of the shallow band edge state increased when the doping concentration was 1 mol%, and then gradually decreased when the doping concentration was 3 mol%. Since the area of the shallow band edge state is proportional to the carrier concentration by Vo, and the area of the deep band edge state is proportional to the scattering, it can be seen that the stability is further improved in the case of IYZO.
실험예 10: 접촉저항 비교Experimental Example 10: Contact Resistance Comparison
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용한 TLM(transmission line method)을 통해 출력특성을 측정하여 접촉저항을 비교하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the output characteristics were measured using the TLM (transmission line method) using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard), and the contact resistance was compared.
도 9는 TLM(Transmission Line Measurement)을 이용하여 측정한 IZO TFT의 접촉저항(a), IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)의 접촉저항(b), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)의 접촉저항(c)을 나타낸 것이다. Figure 9 shows the contact resistance of an IZO TFT (a), the contact resistance of an IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%) (b), and the contact resistance of an IYZO (Yb doping concentration: 3 mol%) (c) measured using TLM (Transmission Line Measurement).
도 9에서 보는 바와 같이, IZO에 비해서 Ga 및 Yb가 도핑된 경우 접촉저항이 증가하였다. 구체적으로, IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)는 IZO에 비해서 접촉저항이 7배 정도 증가한 반면, IYZO(Ya의 도핑 농도: 3mol%)는 1.75배 정도 증가하였다. 따라서, IYZO(Ya의 도핑 농도: 3mol%)는 IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)에 비해서 접촉저항이 매우 낮으므로 전기적 특성이 저하되는 것을 매우 효과적으로 억제하였음을 알 수 있다. As shown in Fig. 9, the contact resistance increased when Ga and Yb were doped compared to IZO. Specifically, the contact resistance of IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%) increased by about 7 times compared to IZO, while that of IYZO (Ya doping concentration: 3 mol%) increased by about 1.75 times. Therefore, it can be seen that IYZO (Ya doping concentration: 3 mol%) has a much lower contact resistance than IGZO (Ga doping concentration: 3 mol%), and thus very effectively suppresses the deterioration of electrical properties.
실험예 11: 박막의 결정성 및 표면 형상 비교Experimental Example 11: Comparison of Crystallinity and Surface Morphology of Thin Films
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 산화물 반도체에 대하여, GI-XRD (D8 Advance A25 Plus, Bruker) 및 원자힘 현미경(AFM, XE-100, Park Systems)를 이용하여 박막의 결정성 및 표면 형상을 측정하여 비교하였다. For the oxide semiconductors of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the crystallinity and surface morphology of the thin films were measured and compared using GI-XRD (D8 Advance A25 Plus, Bruker) and atomic force microscopy (AFM, XE-100, Park Systems).
도 10은 IZO TFT(a), IGZO(Ga의 도핑 농도: 1mol%)(b), IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%)(c), IGZO(Ga의 도핑 농도: 5mol%)(d), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%)(e), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%)(f), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%)(g)의 주사탐침현미경(atomic force microscope, AFM)이미지와 그에 따른 RMS roughness를 나타낸 것이고, IZO, IGZO(Ga의 도핑 농도: 3mol%), IYZO(Yb의 도핑 농도: 1mol%), IYZO(Yb의 도핑 농도: 3mol%), 및 IYZO(Yb의 도핑 농도: 5mol%)의 X선 회절(X-ray diffraction, XRD) 패턴(h)을 나타낸 것이다. Figure 10 shows scanning probe microscope (AFM) images and their RMS roughnesses of IZO TFT (a), IGZO (doping concentration of Ga: 1 mol%) (b), IGZO (doping concentration of Ga: 3 mol%) (c), IGZO (doping concentration of Ga: 5 mol%) (d), IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%) (e), IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%) (f), and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%) (g), and X-ray diffraction (XRD) patterns of IZO, IGZO (doping concentration of Ga: 3 mol%), IYZO (doping concentration of Yb: 1 mol%), IYZO (doping concentration of Yb: 3 mol%), and IYZO (doping concentration of Yb: 5 mol%). This shows the pattern (h).
도 10에서 보는 바와 같이, IGZO 및 IYZO는 IZO와 같이 비정질이었고, IZO에 비해서 Ga 및 Yb를 도핑하는 경우, 보다 구체적으로 Ga 및 Yb의 도핑 농도가 증가함에 따라 RMS 값이 감소하는 경향을 보였다. 특히, 도핑 농도가 3mol%인 IYZO는 도핑 농도가 3mol%인 IGZO에 비해서 RMS 값이 크게 감소하였다. As shown in Fig. 10, IGZO and IYZO were amorphous like IZO, and compared to IZO, when doped with Ga and Yb, more specifically, the RMS value tended to decrease as the doping concentration of Ga and Yb increased. In particular, the RMS value of IYZO with a doping concentration of 3 mol% decreased significantly compared to that of IGZO with a doping concentration of 3 mol%.
실시예 4Example 4
Yb의 도핑 농도를 7mol%로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 IYZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IYZO oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the doping concentration of Yb was set to 7 mol%.
실시예 5Example 5
Yb의 도핑 농도를 9mol%로 한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 IYZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IYZO oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the doping concentration of Yb was set to 9 mol%.
비교예 5Comparative Example 5
Ga의 도핑 농도를 7mol%로 한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 방법으로 IGZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IGZO oxide semiconductor was manufactured using the same method as in Comparative Example 2, except that the doping concentration of Ga was set to 7 mol%.
비교예 6Comparative Example 6
Ga의 도핑 농도를 9mol%로 한 것을 제외하고, 비교예 2와 동일한 방법으로 IGZO 산화물 반도체를 제조하였다. An IGZO oxide semiconductor was manufactured using the same method as in Comparative Example 2, except that the doping concentration of Ga was set to 9 mol%.
실험예 10: 전기적 특성 평가(2)Experimental Example 10: Electrical Characteristics Evaluation (2)
실시예 4 및 5와 비교예 5 및 6의 산화물 반도체에 대하여, 암실에서 HP 4145B 반도체 파라미터 분석기 (Hewlett-Packard)를 이용하여 전달특성 및 출력특성을 측정하여 전기적 특성을 평가하였다. For the oxide semiconductors of Examples 4 and 5 and Comparative Examples 5 and 6, the electrical characteristics were evaluated by measuring the transfer characteristics and output characteristics in a darkroom using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 11은 IYZO(Yb의 도핑 농도: 7mol%)(a), IYZO(Yb의 도핑 농도: 9mol%)(b), IGZO(Ga의 도핑 농도: 7mol%)(c), 및 IGZO(Ga의 도핑 농도: 9mol%)(d)의 전기적 특성 평가 결과를 나타낸 것이다. Figure 11 shows the results of evaluating the electrical characteristics of IYZO (doping concentration of Yb: 7 mol%) (a), IYZO (doping concentration of Yb: 9 mol%) (b), IGZO (doping concentration of Ga: 7 mol%) (c), and IGZO (doping concentration of Ga: 9 mol%) (d).
도 11에서 보는 바와 같이, Ga 및 Yb의 도핑농도가 증가함에 따라 Vth가 양의 방향으로 이동하고, 전자 이동도가 감소하며, 문턱 전압이하 스윙이 증가하는 것을 알 수 있다. 하지만, Yb을 도핑한 IYZO의 경우, IGZO에 비해 이동도 및 문턱 전압이하 스윙 측면에서 우수한 것을 알 수 있다. As shown in Fig. 11, as the doping concentration of Ga and Yb increases, V th shifts in the positive direction, electron mobility decreases, and subthreshold swing increases. However, in the case of IYZO doped with Yb, it can be seen that it is superior to IGZO in terms of mobility and subthreshold swing.
실시예 6 내지 10Examples 6 to 10
In : Zn : Yb의 몰비를 도 12에 기재된 바와 같이 달리한 것과 활성층을 전면으로 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 산화물 반도체를 제조하였다. An oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of In:Zn:Yb was changed as described in Fig. 12 and the active layer was applied to the entire surface.
실시예 11 내지 15Examples 11 to 15
In : Zn : Yb의 몰비를 도 13에 기재된 바와 같이 달리한 것과 활성층을 전면으로 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 산화물 반도체를 제조하였다. An oxide semiconductor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of In:Zn:Yb was changed as described in Fig. 13 and the active layer was applied to the entire surface.
실험예 11: 전기적 특성 평가(3)Experimental Example 11: Electrical Characteristics Evaluation (3)
실시예 6 내지 15의 산화물 반도체에 대하여, 암실에서 HP 4145B 반도체 파라미터 분석기(Hewlett-Packard)를 이용하여 전달특성 및 출력특성을 측정하여 전기적 특성을 평가하였다.For the oxide semiconductors of Examples 6 to 15, the electrical characteristics were evaluated by measuring the transfer characteristics and output characteristics in a darkroom using an HP 4145B semiconductor parameter analyzer (Hewlett-Packard).
도 12와 13은 IYZO의 다양한 조성에 따른 전달특성 및 출력특성과 드레인 전압 20.1V에서의 이동도를 나타낸 것이다.Figures 12 and 13 show the transfer characteristics and output characteristics according to various compositions of IYZO and the mobility at a drain voltage of 20.1 V.
도 12에서 보는 바와 같이, In와 Zn의 비율이 높음에 따라 off 전류가 높으며, 이동도가 높은 것을 알 수 있다. In의 도핑농도가 감소하고 Yb의 도핑농도가 증가함에 따라 off 전류가 낮아지며, 이동도가 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 13에서 보는 바와 같이, Zn의 도핑농도를 1.5mol%로 고정하고, In의 도핑농도가 감소하고, Yb의 도핑농도가 증가함에 따라서도 off 전류가 낮아지며, 이동도가 감소하는 것을 알 수 있다. As shown in Fig. 12, it can be seen that the off current is high and the mobility is high as the ratio of In and Zn is high. It can be seen that the off current decreases and the mobility decreases as the doping concentration of In decreases and the doping concentration of Yb increases. In addition, as shown in Fig. 13, it can be seen that the off current decreases and the mobility decreases as the doping concentration of In decreases and the doping concentration of Yb increases while fixing the doping concentration of Zn to 1.5 mol%.
Claims (19)
인듐(In) 및 아연(Zn)으로 이루어진 산화물을 포함하고,
상기 In, Yb 및 Zn의 원자비는 하기 식 A1 내지 A3을 만족하는, 산화물 반도체:
[식 A1] 0.2 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.99
[식 A2] 0.29 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.99
[식 A3] 0.1 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.99
Ytterbium (Yb) is doped,
Contains an oxide composed of indium (In) and zinc (Zn),
An oxide semiconductor in which the atomic ratios of In, Yb and Zn satisfy the following formulas A1 to A3:
[Formula A1] 0.2 ≤ In/(In + Zn) ≤ 0.99
[Formula A2] 0.29 ≤ In/(In + Yb) ≤ 0.99
[Formula A3] 0.1 ≤ Zn/(Yb + Zn) ≤ 0.99
상기 Yb의 도핑 농도가 1mol% 내지 10mol%인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a doping concentration of Yb of 1 mol% to 10 mol%.
인듐(In)과 이터븀(Yb)의 몰비가 1 : 0.001 내지 0.8인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a molar ratio of indium (In) and ytterbium (Yb) of 1:0.001 to 0.8.
1.3 cm2/Vs 이상의 홀 이동도(hall mobility), 1.2 × 1016 cm-3 이상의 캐리어 농도, 및 -6V 내지 3V의 문턱 전압 변화량(Δthreshold voltage, ΔVth)을 갖는, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a hall mobility of 1.3 cm 2 /Vs or more, a carrier concentration of 1.2 × 10 16 cm -3 or more, and a threshold voltage (ΔV th ) of -6 V to 3 V.
상기 문턱 전압 변화량(ΔVth)은,
포지티브 바이어스 스트레스(positive bias stress, PBS) 및 네거티브 바이어스 스트레스(negative bias stress, NBS)의 조건에서 -3V 내지 2.8V이고,
포지티브 바이어스 열적 스트레스(positive bias temperature stress, PBTS) 및 네거티브 바이어스 열적 스트레스(negative bias temperature stress, NBTS)의 조건에서 -5V 내지 4V이고,
포지티브 바이어스 일루미네이션 스트레스(positive bias illumination stress, PBIS) 및 네거티브 바이어스 일루미네이션 스트레스(negative bias illumination stress, NBIS)의 조건에서 -6V 내지 1.5V인, 산화물 반도체.
In paragraph 5,
The above threshold voltage change amount (ΔV th ) is
-3 V to 2.8 V under positive bias stress (PBS) and negative bias stress (NBS) conditions,
-5 V to 4 V under positive bias temperature stress (PBTS) and negative bias temperature stress (NBTS) conditions,
An oxide semiconductor having a voltage range of -6 V to 1.5 V under positive bias illumination stress (PBIS) and negative bias illumination stress (NBIS).
전자 이동도가 1cm2/Vs내지 40cm2/Vs인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having an electron mobility of 1 cm 2 /Vs to 40 cm 2 /Vs.
문턱 전압(Vth)이 -40V 내지 40V인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a threshold voltage (V th ) of -40 V to 40 V.
문턱 전압이하 스윙(SS)이 0.06V/decade 내지 2V/decade인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a subthreshold swing (SS) of 0.06 V/decade to 2 V/decade.
계면 트랩 밀도(Dit)가 1x1012cm-2eV-1 내지 5x1012cm-2eV-1인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having an interface trap density (D it ) of 1x10 12 cm -2 eV -1 to 5x10 12 cm -2 eV -1 .
온/오프비가 1.0x106 내지 5.0x106인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having an on/off ratio of 1.0x10 6 to 5.0x10 6 .
XPS 분석 시에 45% 내지 70%의 M-O 결합 비율과, 15% 내지 50%의 산소공공 비율을 갖는, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a MO bonding ratio of 45% to 70% and an oxygen vacancy ratio of 15% to 50% when analyzed by XPS.
RMS(root mean square) 표면 조도가 0.1nm 내지 0.5nm인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having an RMS (root mean square) surface roughness of 0.1 nm to 0.5 nm.
접촉저항이 5000Ω 내지 200000Ω인, 산화물 반도체.
In paragraph 1,
An oxide semiconductor having a contact resistance of 5000Ω to 200000Ω.
상기 기재 상에 형성된 유전층;
상기 유전층 상에 형성된 제 1 항의 산화물 반도체를 포함하는 반도체층, 및
상기 반도체층 상에 형성된 전극을 포함하는, 반도체 소자.
write;
A dielectric layer formed on the above substrate;
A semiconductor layer including the oxide semiconductor of claim 1 formed on the dielectric layer, and
A semiconductor device comprising an electrode formed on the semiconductor layer.
상기 반도체층의 두께가 5 nm 내지 50 nm인, 반도체 소자.
In Article 15,
A semiconductor device, wherein the thickness of the semiconductor layer is 5 nm to 50 nm.
A thin film transistor comprising a semiconductor device according to claim 15.
TLM(Transmission Line Measurement)을 이용하여 측정한 IZO의 접촉저항(Rc0) 및 상기 박막 트랜지스터의 접촉저항(Rc1)의 비율(Rc1/Rc0)이 5 이하인, 박막 트랜지스터.
In Article 17,
A thin film transistor, wherein the ratio (R c1 /R c0 ) of the contact resistance (R c0 ) of the IZO and the contact resistance (R c1 ) of the thin film transistor measured using TLM (Transmission Line Measurement) is 5 or less.
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