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아주대학교 전자공학과

학과소식

박성준 교수팀, 자외선/오존 처리를 통한 IGZO 산화물 박막 트랜지스터 성능 향상 공정 개발

  • 이소운
  • 2022-04-28
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박성준 교수 연구팀이 자외선/오존 환경 속에서도 매우 짧은 시간 내에 금속산화물 IGZO 반도체 기반의 박막 트랜지스터 소자의 성능을 향상하고 특성을 조절하는 공정 개발에 성공했다고 밝혔다.

  

연구 내용은 ‘용액공정 IGZO 산화물 박막 트랜지스터의 자외선/오존 처리에 따른 효과적인 문턱전압 조절과 영향(Influence of UV/Ozone Treatment on Threshold Voltage Modulation in Sol-Gel IGZO Thin-Film Transistors)’이라는 제목으로 국제 학술지 <어드밴스드 머터리얼스 인터페이스(Advanced Materials Interfaces)> 프론트 커버 논문으로 선정됐다. 이번 연구에는 아주대 전자공학과 석사과정 김원식 학생과 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 이원준 박사가 공동 제1저자로, 아주대 전자공학과 석사과정 곽태현·백석현 학생, 한국화학연구원(KRICT) 이승훈 박사가 공동저자로 참여했다.

  

박막 트랜지스터 전자 소자의 전기적 매개변수 중 ‘문턱 전압(혹은 임계 전압)’은 전자 소자의 점멸에 필요한 전압을 나타내는 중요한 수치이다. 제조된 금속산화물 반도체 소자를 장기간 구동하면 전기적 스트레스로 형성되는 비정상적 음의 문턱 전압으로 인해 전기적 성능의 저하, 전기적인 불안정성의 원인이 된다. 따라서 문턱 전압을 다시 양의 방향으로 이동시켜 전자 소자의 전반적인 성능을 최대한 유지하면서 0V에 가까운 수치로 회복시킬 수 있는 기술이 반드시 필요하다.

  

이러한 비정상적 음의 문턱 전압 형성 및 이동 현상을 해결하기 위해 그동안 고온에서의 어닐링, 원소 도핑, 다중 적층층 형성 등의 방법이 사용됐다. 그러나 이러한 방법들은 1시간 이상의 긴 공정시간, 도핑으로 인한 IGZO 채널과 전극 사이의 추가 저항 발생, 표면 전하 특성 변화로 인해 복잡한 추가 공정이 필요한 단점이 존재한다.

  

이에 박성준 교수 연구팀은 IGZO 박막 트랜지스터의 반도체 채널층을 자외선/오존 환경에서 3분 가량의 단시간 노출에 의해 문턱전압이 0V에 가깝게 회복하는 현상에 주목했다.

  

IGZO 금속산화물 반도체는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)으로 구성된 비정질 반도체 물질로, 용액공정을 통해 대면적 및 대량생산에 용이하며 우수한 전자이동도와 내구성, 고투명도를 지니고 있다. 이에 차세대 투명 디스플레이, 뉴로모픽 및 유해 바이오 물질 검출 센서 개발 등의 연구에 활용되고 있으며, 우수한 기계적 내구성을 활용해 피부나 특정 조직에 부착이 가능한 유해 바이오 물질 검출 센서 응용 연구도 활발히 진행되고 있다.

  

연구팀은 자외선 광에너지로 인해 대기 중의 오존과 활성 산호 이온종들이 IGZO 금속산화물 박말 표면과 반응해 산소 결함이 감소하는 한편, 공핍 모드(Depletion Mode) 상태였던 박막 트랜지스터 소자를 향상 모드(Enhancement Mode)로 바꾸며 문턱 전압을 이동시킬 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 매우 짧은 공정 처리 시간으로 0V 근처로 이동 및 조절할 수 있는 고효율·고속 문턱 전압 조절 공정을 개발했다.

  

이번 연구 성과에 따르면 최소 1시간 이상의 고열·고압처리 혹은 복잡한 과정의 추가 공정이 필요했던 기존 방법들 대비 훨씬 간단하게 금속산화물 박막 전자 소자의 전기적 특성을 조절할 수 있다. 또한 선택적인 자외선/오존 처리가 가능해 문턱 전압 수치 차이를 적극적으로 이용한 인버터 등 다양한 전자 소자 개발에도 응용이 가능하다.

  

박성준 교수는 “이번 연구는 금속산화물 반도체 박막 트랜지스터 소자들을 매우 빠른 공정 속도로 처리하는 후처리 공정법으로, IGZO 산화물반도체 이외에도 다양한 금속산화물 전자재료의 전기적 특성을 매우 효과적으로 조절할 수 있는 잠재력을 지니고 있다”며 “또한 자외선 광에너지를 선택적으로 조사할 수 있어 인버터 및 각종 연산 회로 소자의 전기적 특성의 자유로운 조절 기술로도 응용할 수 있다”고 전했다.

  

한편 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구사업 및 과학기술정보통신부 한국연구재단 기본과제, 기초연구실, 대학 ICT연구센터지원사업의 지원으로 수행되었다.