KR101539294B1 - Thin-Film Transistor with ZnO/MgZnO Active Structure - Google Patents

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KR101539294B1
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김홍승
이종훈
장낙원
김상현
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Abstract

The present invention relates to a thin-film transistor with a ZnO/MgZnO active layer structure. The present invention relates to a thin-film transistor with a ZnO/MgZnO active layer structure, which comprises: an insulation substrate; a ZnO active layer, which is the first thin film formed on the insulation substrate; a MgZnO active layer, which is the second thin film formed on the ZnO active layer, which is the first thin film; a source contacting the MgZnO active layer, which is the second thin film; and a drain electrode. According to the present invention, it is found that the device performance of the thin-film transistor can be controlled by adjusting the thickness of the ZnO active layer, which is the first thin film, and the MgZnO active layer, which is the second thin film, and the critical thickness of the ZnO active layer, which is the first thin film showing the optimum electron mobility, can be calculated. In addition, the electron mobility of the thin-film transistor with a ZnO/MgZnO active layer structure is improved by 30% or greater over a single ZnO device, and the sub-threshold slope (S.S) of the thin-film transistor with a ZnO/MgZnO active layer structure is reduced by 50% or greater over a single ZnO device, leading to enhanced performance of the device and greater usability.

Description

ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터{Thin-Film Transistor with ZnO/MgZnO Active Structure}[0001] The present invention relates to a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure,

본 발명은 이중 활성층 구조의 박막트랜지스터에 관한 것으로서, 종래기술인 단일 활성층 구조의 박막트랜지스터 보다 우수한 소자 성능을 보이는 이중으로 형성된 활성층 구조의 박막트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film transistor having a dual active layer structure, and more particularly, to a dual layer thin film transistor having an active layer structure that exhibits superior device performance over a single active layer structure.

일반적으로 박막트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)는 액정 디스플레이 장치(Liquid Crystal Display; LCD), 유기발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode; OLED) 등의 디스플레이 장치에 사용된다.2. Description of the Related Art In general, a thin film transistor (TFT) is used in a display device such as a liquid crystal display (LCD) and an organic light emitting diode (OLED).

그 중에는 소스, 드레인 및 채널을 형성하는 활성층(Active Layer)이 결정질 실리콘(Crystalline Silicone)으로 형성된 박막 트랜지스터 등이 있다. LCD, OLED 등의 디스플레이 장치에 사용되는 박막 트랜지스터는 유리, 석영 등의 투명 기판에 실리콘을 증착시키고 게이트 및 게이트 전극을 형성하고, 소스 및 드레인에 도펀트를 주입한 후 어닐링(Annealing) 처리를 하여 활성화 시킨 후 절연층을 형성하여 구성된다.Among them, there is a thin film transistor in which an active layer for forming a source, a drain, and a channel is formed of crystalline silicon (Crystalline Silicone). A thin film transistor used in a display device such as a liquid crystal display (LCD) or an organic light emitting diode (OLED) is formed by depositing silicon on a transparent substrate such as glass or quartz, forming a gate and a gate electrode, injecting a dopant into a source and a drain, And then forming an insulating layer.

박막 트랜지스터의 소스, 드레인 및 채널을 구성하는 활성층은 통상 유리 등의 투명 기판 상에 화학 기상 증착(CVD) 방법 등을 사용하여 실리콘층을 증착시켜 형성된다. 그러나 CVD 등의 방법에 의하여 직접 기판에 증착된 실리콘층은 비정질(Amorphous) 실리콘막으로서 낮은 전자 이동도(Electron Mobility)를 가진다.The active layer constituting the source, drain and channel of the thin film transistor is usually formed by depositing a silicon layer on a transparent substrate such as glass by a chemical vapor deposition (CVD) method or the like. However, the silicon layer directly deposited on the substrate by CVD or the like has a low electron mobility as an amorphous silicon film.

디스플레이 장치가 빠른 동작 속도를 요하고 소형화됨에 따라 산화물 반도체를 이용한 박막트랜지스터에서 이동도의 향상과 소자의 안정성을 해결하기 위한 많은 방법이 연구되고 있다.As display devices require high operating speed and miniaturization, many methods are being studied to improve mobility and stability of a thin film transistor using an oxide semiconductor.

종래 기술로써, 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-0390522호(출원일자 2000년 12월 1일)의 "결정질 실리콘 활성층을 포함하는 박막트랜지스터 제조 방법"은 결정화된 실리콘 활성층 및 게이트 전극을 포함하고 상기 활성층에 LDD 영역 또는 오프셋 접합부(Offset Junction)가 형성된 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; TFT)를 제조하는 방법을 특징으로 하고 있다.As a conventional technique, "a method for manufacturing a thin film transistor including a crystalline silicon active layer" of Korean Patent Registration No. 10-0390522 (filed on Dec. 1, 2000) includes a crystallized silicon active layer and a gate electrode, And a method of manufacturing a thin film transistor (TFT) in which an LDD region or an offset junction is formed in an active layer.

그리고, 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 10-2012-0127318호(출원일자 2012년 5월 11일)의 "폴리실리콘 활성층을 함유한 박막트랜지스터, 그 제조방법 및 어레이 기판"은 기판에 비정질 실리콘층을 퇴적하고, 상기 비정질 실리콘층에 대하여 패터닝을 실시하여 소스영역, 드레인영역과 채널영역을 포함하는 활성층을 형성하는 단계; 상기 소스영역과 상기 드레인영역에 유도금속을 퇴적하는 단계; 유도금속이 퇴적된 활성층에 대하여 제1 열처리를 실시하여, 상기 활성층이 상기 유도금속의 작용 하에서 결정화가 발생되도록 하는 단계; 상기 소스영역과 상기 드레인영역에 상기 유도금속을 수집하기 위한 제1 불순물을 도핑하는 단계; 도핑 후의 활성층에 대하여 제2 열처리를 실시함으로써, 상기 제1 불순물이 상기 채널영역에 잔류된 유도금속을 흡수하도록 하는 단계를 포함하는 일종의 폴리실리콘 활성층을 함유한 박막트랜지스터 제조방법에 관한 것이다."A thin film transistor containing a polysilicon active layer, a manufacturing method thereof, and an array substrate" of Korean Patent Application Publication No. 10-2012-0127318 (filed on May 11, 2012) discloses an amorphous silicon layer Depositing and patterning the amorphous silicon layer to form an active layer including a source region, a drain region, and a channel region; Depositing an induction metal on the source region and the drain region; Performing a first heat treatment on the active layer on which the induction metal is deposited to cause the active layer to undergo crystallization under the action of the induction metal; Doping the source region and the drain region with a first impurity for collecting the induction metal; And performing a second heat treatment on the active layer after the doping so that the first impurity absorbs the guiding metal remaining in the channel region. The present invention also relates to a method of manufacturing a thin film transistor including such a polysilicon active layer.

상기의 종래기술들은 활성층이 단층인 단일 활성층 박막트랜지스터에 관한 것이다. 최근에는 보다 더 높은 전자이동도를 위해 활성층이 이중인 이중 활성층 박막트랜지스터가 대두되고 있다.The above conventional techniques relate to a single active layer thin film transistor in which the active layer is a single layer. In recent years, dual active layer thin film transistors, in which the active layer is double, are emerging for higher electron mobility.

한국등록특허 등록번호 10-0390522호Korean Patent Registration No. 10-0390522 한국공개특허 공개번호 10-2012-0127318호Korean Published Patent Application No. 10-2012-0127318

본 발명은 이중 활성층 구조의 박막트랜지스터에 관한 것으로서, 종래기술인 단일 활성층 구조의 박막트랜지스터 보다 우수한 소자 성능(전자 이동도, 소자 안정성)을 보이는 이중으로 형성된 활성층 박막트랜지스터의 제공을 목적으로 한다.The present invention relates to a thin film transistor having a dual active layer structure and an object of the present invention is to provide a double active layer thin film transistor having superior device performance (electron mobility, element stability) compared with a thin film transistor having a single active layer structure.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 절연기판과, 상기 절연기판 상에 형성된 제 1박막인 ZnO 활성층과, 상기 제 1박막인 ZnO 활성층 상에 형성된 제 2박막인 MgZnO 활성층과, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 접촉된 소오스 및 드레인전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터를 기술적 요지로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an active matrix substrate including an insulating substrate, a ZnO active layer that is a first thin film formed on the insulating substrate, a MgZnO active layer that is a second thin film formed on the ZnO active layer that is the first thin film, And a source electrode and a drain electrode which are in contact with the MgZnO active layer, which is a ZnO / MgZnO active layer.

또한, 상기 절연기판은 실리콘, 플라스틱 및 유리기판 중 어느 하나인 것이 바람직하다.It is preferable that the insulating substrate is one of silicon, plastic, and glass substrate.

또한, 상기 제 1박막인 ZnO 활성층은 1 nm ~ 100 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The ZnO active layer, which is the first thin film, is preferably formed to a thickness of 1 nm to 100 nm.

또한, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층은 1 nm ~ 100 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the MgZnO active layer as the second thin film is preferably formed to a thickness of 1 nm to 100 nm.

또한, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층은 코-스퍼터링(co-sputtering) 증착법에 의해 증착되며, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층에서 Mg의 양은 1 at% ~ 50 at%(atomic percent)의 조성을 갖는 것이 바람직하다.The MgZnO active layer, which is the second thin film, is deposited by co-sputtering, and the MgZnO active layer, which is the second thin film, has a composition of 1 at% to 50 at% (atomic percent) desirable.

또한, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층에서 Mg의 양은 코-스퍼터링(co-sputtering) 증착 과정 중에 MgZnO 타겟에 가해주는 파워를 달리함으로써 조절하는 것이 바람직하다.In addition, the amount of Mg in the MgZnO active layer as the second thin film is preferably controlled by varying the power applied to the MgZnO target during the co-sputtering deposition process.

또한, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 Ti 또는 Ni 금속을 접촉시켜 오믹 접촉(Ohmic Contact)을 형성하며, 상기 Ti 또는 Ni 금속 상에 Au을 증착하여, 소오스 및 드레인전극을 형성하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that ohmic contact is formed by contacting the MgZnO active layer, which is the second thin film, with Ti or Ni metal, and Au is deposited on the Ti or Ni metal to form the source and drain electrodes.

또한, 상기 Ti 또는 Ni 금속은 1 nm ~ 20 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The Ti or Ni metal is preferably formed to a thickness of 1 nm to 20 nm.

또한, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 상기 소오스 및 드레인전극 사이에 제 3박막으로서 ZnO 활성층이 하나 더 형성된 것이 바람직하다.Further, it is preferable that a ZnO active layer is further formed as a third thin film between the MgZnO active layer, which is the second thin film, and the source and drain electrodes.

또한, 제 3박막인 ZnO 활성층은 1 nm ~ 100 nm 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The ZnO active layer, which is the third thin film, is preferably formed to a thickness of 1 nm to 100 nm.

본 발명에 따르면 제 1박막인 ZnO 활성층과 제 2박막인 MgZnO 활성층의 두께를 조절함으로써 박막트랜지스터의 소자 성능을 조절할 수 있음을 알 수 있었으며 이에 따라 최적의 전자이동도를 보이는 제 1박막인 ZnO 활성층의 임계 두께치를 산출할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the device performance of the thin film transistor can be controlled by controlling the thickness of the ZnO active layer as the first thin film and the MgZnO active layer as the second thin film. As a result, it can be seen that the ZnO active layer It is possible to calculate the critical thickness value.

또한 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터는 단일 ZnO 소자보다 전자이동도는 30% 이상 향상되며 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)가 50 % 이상 감소하여 소자의 성능을 향상시키는 효과가 있다.In addition, the thin film transistor of ZnO / MgZnO active layer structure improves the electron mobility by more than 30% and the sub-threshold slope (SS) by more than 50% have.

도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 단면도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO와 MgZnO 타켓의 파워 변화에 따른 코-스퍼터링(co-sputtering)으로 증착된 MgZnO 활성층의 UV-Vis 측정 그래프를 나타낸 도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 MgZnO와 소오스 및 드레인전극(Ti/Au) 간의 오믹접촉 특성 전류-전압(I-V) 그래프를 나타낸 도.
도 4 - 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 출력특성 그래프를 나타낸 도.
도 5 - 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 전도특성 그래프를 나타낸 도.
1 is a cross-sectional view of a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a UV-Vis measurement graph of a MgZnO active layer deposited by co-sputtering according to the power of ZnO and MgZnO target according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a current-voltage (IV) graph of ohmic contact characteristics between MgZnO and a source and a drain electrode (Ti / Au) according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the output characteristics of a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a conduction characteristic of a thin film transistor of a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 이중 활성층 구조의 박막트랜지스터에 관한 것으로서, 종래기술인 단일 활성층 구조의 박막트랜지스터 보다 우수한 소자 성능(전자 이동도, 소자 안정성)을 보이는 이중으로 형성된 활성층 박막트랜지스터에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film transistor having a dual active layer structure, and more particularly, to a double-layered active layer thin film transistor having superior device performance (electron mobility, element stability) than a single thin film transistor having a single active layer structure.

또한, 절연기판과, 상기 절연기판 상에 형성된 제 1박막인 ZnO 활성층과, 상기 제 1박막인 ZnO 활성층 상에 형성된 제 2박막인 MgZnO 활성층과, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 접촉된 소오스 및 드레인전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.A ZnO active layer that is a first thin film formed on the insulating substrate; a MgZnO active layer that is a second thin film formed on the ZnO active layer that is the first thin film; a source contacted with the MgZnO active layer that is the second thin film; And a drain electrode.

특히, 제 1박막인 ZnO 활성층과 제 2박막인 MgZnO 활성층의 두께를 조절함으로써 박막트랜지스터의 소자 성능을 조절할 수 있음을 알 수 있었으며 이에 따라 최적의 전자이동도를 보이는 제 1박막인 ZnO 활성층의 임계 두께치를 산출하여 단일 ZnO 소자보다 전자이동도는 30% 이상 향상되며 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)가 50 % 이상 감소하여 소자의 성능을 향상시킨 이중 활성층 구조의 박막트랜지스터에 관한 것이다.
Particularly, it was found that the device performance of the thin film transistor can be controlled by controlling the thickness of the ZnO active layer as the first thin film and the MgZnO active layer as the second thin film. As a result, Thin film transistor with dual active layer structure that improved the device performance by reducing the sub-threshold slope (SS) by more than 30% and the sub-threshold slope (SS) by more than 50% will be.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO와 MgZnO 타켓의 파워 변화에 따른 코-스퍼터링(co-sputtering)으로 증착된 MgZnO 활성층의 UV-Vis 측정 그래프이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MgZnO와 소오스 및 드레인전극(Ti/Au) 간의 오믹접촉 특성 전류-전압(I-V) 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 출력특성 그래프이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 전도특성 그래프이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a cross-sectional view of a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention. 2 is a graph showing the UV-Vis measurement of the MgZnO active layer deposited by co-sputtering according to the power of the ZnO and MgZnO target according to an embodiment of the present invention. 3 is a graph of an ohmic contact characteristic current-voltage (I-V) between MgZnO and a source and a drain electrode (Ti / Au) according to an embodiment of the present invention. 4 is a graph illustrating an output characteristic of a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph illustrating a conduction characteristic of a thin film transistor of a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이 본 발명은 절연기판(100)과, 상기 절연기판(100) 상에 형성된 제 1박막인 ZnO 활성층(200)과, 상기 제 1박막인 ZnO 활성층(200) 상에 형성된 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)과, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)과 접촉된 소오스 및 드레인전극으로 크게 구성된다.
As shown in the figure, the present invention provides a semiconductor device comprising an insulating substrate 100, a ZnO active layer 200 as a first thin film formed on the insulating substrate 100, a second thin film formed on the ZnO active layer 200 as the first thin film, And the source and drain electrodes contacted with the MgZnO active layer 300 as the second thin film.

먼저, 상기 절연기판(100)에 대해 설명하고자 한다.First, the insulating substrate 100 will be described.

상기 절연기판(100)은 후술할 제 1박막인 ZnO 활성층(200), 상기 제 1박막인 ZnO 활성층 상에 형성된 제 2박막인 MgZnO 활성층(300) 및 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)과 접촉된 소오스 및 드레인전극이 올려질 박막트랜지스터 기판이다.The insulating substrate 100 includes a ZnO active layer 200 as a first thin film, a MgZnO active layer 300 as a second thin film formed on the ZnO active layer as a first thin film, and a MgZnO active layer 300 as a second thin film, And the source and drain electrodes to be contacted are raised.

일반적인 박막형 트랜지스터의 구조는 게이트전극/절연층/소오스 및 드레인전극으로 이루어져 있으며 게이트 전극에 (+)전압을 걸어주었을 시 정공(Hole)은 척력에 의해 밀려나게 되고 반대로 전자들은 끌려 오게 된다. 이러한 전자들이 지나다닐 수 있는 채널이 형성되고 있는 것이다. 즉 게이트에 채널이 형성될 정도로 전압을 걸어주어야 하는 것이다. 반대로 게이트전극에 (-)전압을 걸어주게 되면 전자가 아닌 정공(Hole)이 쌓이게 되어 전류는 흐르지 않게 된다. 이렇게 채널이 형성되어 전류가 증가하는 시점의 게이트 전압을 문턱전압(Threshold Voltage)이라고 한다.The structure of a typical thin film transistor consists of a gate electrode / insulating layer / source and drain electrodes. When a positive voltage is applied to the gate electrode, the hole is pushed by the repulsive force and the electrons are attracted. The channels through which these electrons can pass are forming. That is, a voltage must be applied so that a channel is formed in the gate. On the other hand, when a negative voltage is applied to the gate electrode, holes are accumulated instead of electrons, so that the current does not flow. The gate voltage at the time when the channel is formed and the current increases is referred to as a threshold voltage.

상기 절연기판(100)은 실리콘, 플라스틱 및 유리기판 중의 하나로 선택된 소재의 기판을 절연 처리한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 n+-Si 실리콘 기판을 수평형 열산화로를 이용하여 900 ℃에서 건식 산화방법으로 SiO2 절연기판(100)을 형성하였다. 불순물이 다량 주입된 n+-Si 실리콘이 게이트 전극 역할을 하며, 수평형 열산화로를 이용하여 건식 산화방법으로 절연층이 형성된 부분이 절연층 역할을 하게 된다. 즉 상기 절연기판(100)은 절연층이 포함된 게이트 전극 역할을 하게된다.
The insulating substrate 100 is obtained by insulating a substrate of a material selected from one of silicon, plastic and glass substrates. According to an embodiment of the present invention, an SiO 2 insulating substrate 100 is formed by a dry oxidation method at 900 ° C. using a horizontal thermal oxidation furnace of an n + -Si silicon substrate. The n + -Si silicon into which a large amount of impurities are implanted serves as a gate electrode, and a portion where an insulating layer is formed by a dry oxidation method using a horizontal type thermal oxidation furnace serves as an insulating layer. That is, the insulating substrate 100 serves as a gate electrode including an insulating layer.

다음으로, 상기 절연기판(100) 상에 형성된 제 1박막인 ZnO 활성층(200)에 대해 설명하고자 한다.Next, the ZnO active layer 200, which is a first thin film formed on the insulating substrate 100, will be described.

상기 ZnO 활성층(200)은 상기 절연기판(100)과 후술할 제 2박막인 MgZnO 활성층(300) 사이에 위치하게 된다. 본 발명의 일실시예에 따르면 ZnO 박막은 4인치 ZnO 타켓으로 코-스퍼터링(co-sputtering) 증착법(100 W 파워)에 의해 증착되었다. The ZnO active layer 200 is located between the insulating substrate 100 and a MgZnO active layer 300, which is a second thin film to be described later. According to one embodiment of the present invention, the ZnO thin film was deposited by a co-sputtering deposition method (100 W power) with a 4 inch ZnO target.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 ZnO 활성층(200)의 증착조건은 다음과 같다. 분위기 가스로 아르곤(Ar) 가스를 매스 플로우 콘트롤러(Mass Flow Controller ; MFC)를 통해 20 sccm을 챔버안에 흘려주었다. 증착시 압력은 5 mTorr이며, 증착온도는 300 ℃이다.The deposition conditions of the ZnO active layer 200 according to an embodiment of the present invention are as follows. And argon (Ar) gas was flowed through the mass flow controller (MFC) at 20 sccm into the chamber. The deposition pressure is 5 mTorr and the deposition temperature is 300 ° C.

상기와 같은 조건으로 형성될 ZnO 활성층(200)의 두께는 1 nm ~ 100 nm 로 하는 것이 바람직하다. 상기 두께는 소자로써 구동할 수 있으며, 박막으로서 최소한의 두께 이상(1 nm)이며 고집적 적층 트랜지스터의 목적에 부합하는 두께 이하(100 nm)이다.The thickness of the ZnO active layer 200 to be formed under the above conditions is preferably 1 nm to 100 nm. The thickness can be driven by the device and is at least a minimum thickness (1 nm) as a thin film and is less than or equal to the thickness (100 nm) that is suitable for the purpose of a highly integrated transistor.

또한 상기 1 nm ~ 100 nm의 두께는 후술할 최적의 전자이동도를 보이는 임계두께치를 포함하는 범위이며, 더욱 바람직하기로는 5 nm ~ 30 nm의 두께이며, 더더욱 바람직하기로는 10 nm의 두께이다. 또한 ZnO 두께가 증가(게이트 전자 영역(Gate Electric Field)에 의한 거리가 멀어짐)함에 따라, 형성된 고밀도 전자들에 의한 전기적 특성 향상이 크지 않으므로 그 두께를 100 nm 이하로 제한하는 것이 바람직하다.The thickness of 1 nm to 100 nm is a range including a critical thickness value showing optimum electron mobility to be described later, more preferably 5 nm to 30 nm, and still more preferably 10 nm. In addition, since the increase of the ZnO thickness (the distance by the gate electric field is distant), the improvement of the electrical characteristics by the formed high-density electrons is not large, so that the thickness is preferably limited to 100 nm or less.

표 1에서와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 가장 높은 이동도를 가진 소자는 ZnO 10 nm 일 때 가장 우수하였으며, ZnO 5 nm 일 때 가장 낮은 값을 가졌다. 하지만 ZnO 20 nm와 30 nm 의 소자는 ZnO 박막트랜지스터와 비슷한 값을 보였다.As shown in Table 1, the device having the highest mobility according to an embodiment of the present invention was the best at 10 nm of ZnO and the lowest at 5 nm of ZnO. However, ZnO 20 nm and 30 nm devices showed similar values to ZnO thin film transistors.

또한, 다음과 같은 수식으로 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)를 구하였다.
In addition, the sub-threshold slope (SS) was calculated by the following equation.

Figure 112014010542898-pat00001

Figure 112014010542898-pat00001

단일 ZnO 박막트랜지스터는 S.S 값이 약 0.44 V/decade 값을 보였으나, ZnO 5 nm 소자는 증가한 0.72 V/decade 값 보였다. 하지만 ZnO 20 nm 소자의 경우 0.22 V/decade 로 ZnO에 비해 절반 가량 감소한 특성을 보였다. 이와 같은 변화는 채널에서의 전자포획 같은 현상이 상당히 감소하여 전기적 특성이 향상이 된 것이다.The single ZnO thin film transistor exhibited a value of about 0.44 V / decade for the S.S value, while an increase of 0.72 V / decade for the ZnO 5 nm device. However, in case of ZnO 20 nm device, it is 0.22 V / decade, which is about half that of ZnO. Such a change significantly reduces the phenomenon such as electron trapping in the channel, thereby improving the electrical characteristics.

이 같은 현상은 단일 활성층을 가지는 트랜지스터에서 게이트 전압에 따라 다수의 캐리어가 반도체와 절연체 경계에 채널이 형성이 되어 전류 흐름에 기여하는 것을 보여 준다. 하지만 이중 활성층을 가지는 경우 반도체와 절연체 경계뿐만 아니라 MgZnO와 ZnO와 경계에 형성된 전도대역 차이에 의해 생성된 전위우물에 의해서도 전류흐름이 발생할 수 있으며, 이를 통해 낮은 전자산란을 가져 올 수 있기 때문에 이동도의 향상과 낮은 전자포획 밀도에 의한 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)의 감소를 가져온 것이다. This phenomenon shows that in a transistor having a single active layer, a plurality of carriers are formed at the semiconductor and insulator boundaries depending on the gate voltage, thereby contributing to current flow. However, in the case of a dual active layer, current flow may occur not only at the semiconductor and insulator boundaries but also at the potential wells created by the difference in conduction band formed at the interface between MgZnO and ZnO, which may lead to low electron scattering, And a decrease in the sub-threshold slope (SS) due to the low electron trapping density.

또한 ZnO 층이 얇은 샘플 (<10 nm)에서는 전기적 특성이 향상이 많지 않았으며, 이는 초기 성장 시 ZnO 박막의 결정성의 문제이다. 하지만 10 nm 이상에서는 단일 활성층 박막트랜지스터에 비해 향상된 전기적 특성을 보였다. 이와 같은 변화는 채널에서의 전자포획 같은 현상이 상당히 감소하여 우수한 전기전도성을 보인 것이다. 게이트 전자 영역(Gate Electric Field)에 의한 거리가 멀어짐(ZnO 두께 증가)에 따라, 형성된 고밀도 전자들에 의한 전기적 특성 향상이 크지 않음을 알 수 있다.In addition, the electrical properties of ZnO thin films (<10 nm) were not improved much, which is a problem of crystallinity of ZnO thin films during initial growth. However, at 10 nm or more, it showed improved electrical characteristics compared to a single active layer thin film transistor. Such a change shows a remarkable reduction of the phenomenon such as electron trapping in the channel, which shows excellent electrical conductivity. It can be seen that the improvement of the electrical characteristics due to the formed high-density electrons is not large as the distance by the gate electric field (the ZnO thickness increase) increases.

따라서 제 1박막인 ZnO활성층의 두께를 조절함으로써 박막트랜지스터의 소자 성능을 조절할 수 있음을 알 수 있었으며 이에 따라 최적의 전자이동도를 보이는 제 1박막인 ZnO활성층의 임계 두께치(약 10 nm)를 산출할 수 있었다.
Therefore, it was found that the device performance of the thin film transistor can be controlled by controlling the thickness of the ZnO active layer, which is the first thin film. As a result, the critical thickness (about 10 nm) of the ZnO active layer, .

다음으로, 상기 제 1박막인 ZnO 활성층(200) 상에 형성된 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)에 대해 설명하고자 한다. 상기 MgZnO 활성층(300)은 상기 ZnO 활성층(200)과 후술할 소오스 및 드레인 전극(또는 제 3박막인 ZnO 활성층) 사이에 위치하게 된다. Next, the MgZnO active layer 300, which is a second thin film formed on the ZnO active layer 200 as the first thin film, will be described. The MgZnO active layer 300 is positioned between the ZnO active layer 200 and a source and drain electrode (or a ZnO active layer, which is a third thin film) to be described later.

또한, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)에서 Mg의 양은 1 at% ~ 50 at%(atomic percent)의 조성을 갖는 것이 바람직하며, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)에서 Mg의 양은 코-스퍼터링(co-sputtering) 증착 과정 중에 MgZnO 타겟에 가해주는 파워를 달리함으로써 조절하는 것을 특징으로 한다.The amount of Mg in the MgZnO active layer 300 may be in the range of 1 at% to 50 at% (atomic percent), and the amount of Mg in the MgZnO active layer 300 may be in the range of 1 at% And is controlled by varying the power applied to the MgZnO target during the co-sputtering deposition process.

본 발명의 일실시예에 따르면 ZnO 타켓에 100 W의 파워로 고정하고 MgxZn1 -xO (x = 30 at%) 타켓에 파워를 50 W에서 200 W 범위에서 선택하여 코-스퍼터링(co-sputtering) 한다. 파워가 증가할수록 Mg의 조성비는 증가하며, 도 2에 도시된 바와 같이 광밴드갭은 증가하게 된다. 광밴드갭이 증가를 한다는 것은 결국 MgZnO 박막의 전도대와 가전자대의 차이(폭)이 넓어진다는 것을 의미한다. MgZnO의 밴드갭이 넓어지면 ZnO와 이종접합시에 ZnO의 밴드갭을 뺀 만큼의 밴드갭 차이가 발생한다(band offset). 이 차이로 인해 전도대 오프셋(conduction band offset)과 가전자대 오프셋 (valence band offset)가 발생을 하게 되는데, Mg 조성이 증가되면 결국 밴드갭이 증가하고 전도대 오프셋이 커지게 되기 때문에 전위 벽이 높게 생성이 되어 전자를 더 구속 시킬 수 있다. 더 많은 전자를 구속시켜서 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas; 2DEG)의 밀도를 높이면 좋을 수는 있으나 ZnO와 MgO의 결정 구조의 상이함으로 인해 Mg의 양을 무조건 증가시킬 수는 없다. According to an embodiment of the present invention, a ZnO target is fixed to a power of 100 W and a power is applied to a target of Mg x Zn 1 -x O (x = 30 at%) at a range of 50 W to 200 W to perform co-sputtering -putputing). As the power increases, the composition ratio of Mg increases, and the photonic bandgap increases as shown in FIG. The increase in the photonic bandgap means that the difference (width) between the conduction band and the valence band of the MgZnO thin film is widened. When the bandgap of MgZnO is widened, band gap difference (band offset) occurs by subtracting the bandgap of ZnO at the heterojunction with ZnO. The conduction band offset and the valence band offset occur due to the difference. When the Mg composition increases, the band gap increases and the conduction band offset becomes larger. So that the electrons can be further constrained. It may be desirable to increase the density of two-dimensional electron gas (2DEG) by restricting more electrons, but the amount of Mg can not be increased unconditionally due to the difference in the crystal structure of ZnO and MgO.

일반적으로, 청색 및 자외선 발광다이오드, 레이저 다이오드, UV 감지기(Detector)소자 등의 기술적인 중요성은 ZnO를 기반으로 하는 산화물 반도체와 함께 와이드 밴드갭 반도체가 있다. 특히 ZnO에 Mg를 첨가하여 MgZnO 화합물을 첨가할 경우 밴드갭을 3.3 eV ~ 7.8 eV 까지 증가시킬 수 있고, ZnO/MgZnO 초격자 구조를 이용할 경우 자유엑시톤 결합에너지를 100meV 이상까지 증가시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 MgO는 결정구조가 암염(ROCKSALT) 구조를 가지는 입방정 구조이기 때문에 헥사고날(Hexagonal) 구조를 가진 ZnO에 첨가될 경우 고용도에 큰 제한을 가지게 된다. In general, the technical significance of blue and ultraviolet light emitting diodes, laser diodes, and UV detector devices is wide bandgap semiconductors with ZnO based oxide semiconductors. In particular, when MgO is added to ZnO, the bandgap can be increased to 3.3 eV to 7.8 eV, and when the ZnO / MgZnO superlattice structure is used, the free exciton binding energy can be increased to over 100 meV Have. However, since MgO has a cubic structure with a crystal structure of ROCKSALT structure, it has a large limitation on the solubility when added to ZnO having a hexagonal structure.

따라서 본 실시예에서는 코-스퍼터링(co-sputtering) 증착법으로 실리콘 기판 위에 ZnO/MgZnO 박막을 증착시켰다. RF 파워는 ZnO 타켓을 고정시키고, MgO 타켓 파워를 변화시켜 Mg 농도를 조절하였다. 그 결과는 MgO 타겟 파워를 증가할수록 반치폭이 증가하고, C-plane을 따라 격자 상수가 감소하는 것을 확인할 수 있고, 자외선 방출 피크 세기(UV Emission Peak Intensity)가 감소하며 단파장 쪽으로 청색 이동(Blue Shift) 하고 활성화 에너지(Activation Energy)가 증가하는 효과가 있다.Therefore, in this embodiment, a ZnO / MgZnO thin film is deposited on a silicon substrate by co-sputtering vapor deposition. The RF power was adjusted by adjusting the MgO target power and fixing the ZnO target. As a result, it can be seen that as the MgO target power is increased, the half width increases and the lattice constant decreases along the C-plane, and the UV Emission Peak Intensity decreases, And the activation energy is increased.

상기와 같은 조건으로 형성될 MgZnO 활성층(300)의 두께는 1 nm ~ 100 nm 로 하는 것이 바람직하다. 상기 두께는 소자로써 구동할 수 있으며, 박막으로서 최소한의 두께 이상(1 nm)이며 고집적 적층 트랜지스터의 목적에 부합하는 두께 이하(100 nm)이다.
The thickness of the MgZnO active layer 300 to be formed under the above conditions is preferably 1 nm to 100 nm. The thickness can be driven by the device and is at least a minimum thickness (1 nm) as a thin film and is less than or equal to the thickness (100 nm) that is suitable for the purpose of a highly integrated transistor.

다음으로 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)과 접촉된 소오스 및 드레인전극에 대해 설명하고자 한다. 상기 소오스 및 드레인전극은 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층(300)과 Ti 또는 Ni 금속(400)을 접촉시켜 오믹 접촉(Ohmic Contact)을 형성하며, 상기 Ti 또는 Ni 금속(400) 상에 Au(500)을 증착한 부분이다.Next, the source and drain electrodes contacted with the MgZnO active layer 300, which is the second thin film, will be described. The source electrode and the drain electrode form an ohmic contact by contacting the MgZnO active layer 300 and the Ti or Ni metal 400 with the second thin film and Au 500 ).

Ti 또는 Ni 금속(400) 상에 Au(500)을 증착하는 이유는 Ti와 같은 금속은 대기중에서 산화하여 TiO2와 같은 절연막을 형성하게 되므로 Au를 증착하여 산화방지를 하며 전도성 향상에 도움을 준다.The reason why the Au (500) is deposited on the Ti or Ni metal (400) is that the metal such as Ti is oxidized in the air to form an insulating film such as TiO 2 , .

본 발명의 일실시예에서는 탑 컨택(Top Contact)&바텀 게이트(Bottom Gate) 구조이나, 그 반대인 탑 게이트(Top Gate)&바텀 컨택(Bottom Contact) 구조에도 적용 될 수 있다.
The present invention can be applied to top contact and bottom gate structures and vice versa top gate and bottom contact structures.

본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 구동원리는 다음과 같다. 900 ℃에서 수평형 열산화로를 이용하여 건식 산화시킨 절연기판이 게이트 전극과 절연층 역할을 하며, 그 절연기판 상에 형성된 ZnO/MgZnO 활성층과 소오스 및 드레인 전극이 존재한다. 절연 기판(=게이트 전극)에 일정 전압 이상의 전압을 인가하면 박막트랜지스터소자에 전기장이 형성되며, 절연층/ZnO 활성층 사이 계면과 ZnO/MgZnO 사이의 2차원 전자가스(2 Dimensional Electron Gas; 2DEG)에 전자가 흐를 수 있는 채널이 형성되어 소오스 및 드레인 전극에 전류가 흐르게 된다.
The driving principle of the thin film transistor of the ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention is as follows. An insulated substrate dry-oxidized at 900 ° C using a horizontal thermal oxidation furnace serves as a gate electrode and an insulating layer, and a ZnO / MgZnO active layer and source and drain electrodes are formed on the insulating substrate. When a voltage higher than a certain voltage is applied to an insulating substrate (= gate electrode), an electric field is formed in the thin film transistor element and a two dimensional electron gas (2DEG) between the insulating layer / ZnO active layer and ZnO / MgZnO A channel through which electrons can flow is formed and a current flows to the source and drain electrodes.

다음은 본 발명의 일실시예에 따른 도면에 대한 설명이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 단면도이다. 각 활성층의 두께는 약 50 nm를 가지도록 동일하게 증착시간을 조절하여 ZnO와 MgZnO 박막을 증착하였다. 이중 활성층 박막트랜지스터에서 우선 ZnO 두께는 약 5 에서 30 nm 범위에서 하나 선택되어 성장한 후, MgZnO 박막의 두께 20 nm ~ 45 nm 범위 중에서 하나가 선택되어 성장한다. 그 후 첫 번째 포토리소그래픽(Photolithography)공정을 통해 활성층을 에칭(Etching)을 한다. 두 번째 포토리소그래픽(Photolithography) 공정을 통해 전극 패턴을 형성한 후, Ti/Au 혹은 Ni/Au 금속을 약 10 nm ~ 50 nm 의 두께로 전자빔(E-Beam) 증착기로 금속을 증착 한 후 리프트-오프(Lift-off) 방법으로 소오스 및 드레인 전극을 형성한다.1 is a cross-sectional view of a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention. ZnO and MgZnO thin films were deposited by controlling the deposition time so that each active layer had a thickness of about 50 nm. In the active layer thin film transistor, the ZnO layer is first grown in the range of about 5 to 30 nm, and one of the MgZnO thin films is grown in the range of 20 nm to 45 nm. Then, the active layer is etched through a first photolithography process. A second photolithography process is used to form the electrode pattern, and then a metal is deposited using a Ti / Au or Ni / Au metal to a thickness of about 10 nm to 50 nm using an electron beam (E-beam) evaporator, -Source and drain electrodes are formed by a lift-off method.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO와 MgZnO 타켓의 파워 변화에 따른 코-스퍼터링(co-sputtering)으로 증착된 MgZnO 활성층의 UV-Vis 측정 그래프이며, MgxZn1-xO (x = 30 at%) 타켓에 파워를 50 W에서 200 W 범위에서 선택하여 코-스퍼터링(co-sputtering) 한다. 파워가 증가할수록 Mg의 조성비는 증가하며, 도 2에 도시된 바와 같이 광밴드갭은 증가하게 된다. 광밴드갭이 증가를 한다는 것은 결국 MgZnO 박막의 전도대와 가전자대의 차이(폭)이 넓어진다는 것을 의미한다. FIG. 2 is a graph showing a UV-Vis measurement of a MgZnO active layer deposited by co-sputtering according to a change in power of ZnO and MgZnO target according to an embodiment of the present invention, and Mg x Zn 1-x O (x = 30 at%) Co-sputtering is performed by selecting power from 50 W to 200 W in the target. As the power increases, the composition ratio of Mg increases, and the photonic bandgap increases as shown in FIG. The increase in the photonic bandgap means that the difference (width) between the conduction band and the valence band of the MgZnO thin film is widened.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MgZnO와 소오스 및 드레인전극(Ti/Au) 간의 오믹접촉 특성 전류-전압(I-V) 그래프이다. 전류-전압(I-V) 그래프에서 전압이 증가할수록 전류도 증가하는 것을 알 수 있다.3 is a graph of an ohmic contact characteristic current-voltage (I-V) between MgZnO and a source and a drain electrode (Ti / Au) according to an embodiment of the present invention. In the current-voltage (I-V) graph, the current increases as the voltage increases.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 출력특성 그래프이다. 도시된 바와 같이 VGS 가 0 V에서 10 V 증가함에 따라 포화된 IDS 전류는 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 활성층의 전자들에 의한 전형적인 n-형 박막트랜지스터 특성이다. 또한 전형적인 박막트랜지스터의 출력특성을 보인다.4 is a graph illustrating an output characteristic of a thin film transistor having a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention. As shown, the saturation I DS current increases as V GS increases from 0 V to 10 V. This phenomenon is characteristic of a typical n-type thin film transistor by electrons in the active layer. The output characteristics of a typical thin-film transistor are also shown.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터의 전도특성 그래프이다. VDS 는 10.5 V를 주었고 VGS 는 10 V에서 20 V 까지 전압을 변화시켰다. VDS = 0.5 V에서 다음과 같은 수학식으로 전계효과이동도 μ FE를 결정하였다.FIG. 5 is a graph illustrating a conduction characteristic of a thin film transistor of a ZnO / MgZnO active layer structure according to an embodiment of the present invention. The V DS gave 10.5 V and the V GS changed the voltage from 10 V to 20 V. At V DS = 0.5 V, the field effect mobility μ FE was determined by the following equation.

Figure 112014010542898-pat00002

Figure 112014010542898-pat00002

여기에서, gm은 최대 전달컨덕턴스(Transconductance) 이며, W는 채널 폭, L은 채널 길이, Ci 절연막의 전하량을 나타낸다. 단일 ZnO 박막트랜지스터의 μ FE 5.74 cm2V-1s- 1 이며, ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(ZnO의 두께 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm)는 2.24에서 7.40 cm2V-1s-1 사이의 값을 보였다. 또한, 다음과 같은 수식으로 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)를 구하였다.
Here, g m is the maximum transconductance (Transconductance), W is a channel width, L represents the amount of charge in the channel length, Ci insulating film. The μ FE of a single ZnO thin film transistor 5.74 cm 2 V -1 s - a 1, ZnO / MgZnO thin film transistor (the thickness of the ZnO 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm) is from 2.24 showed a value of 7.40 cm 2 V -1 s -1. In addition, the sub-threshold slope (SS) was calculated by the following equation.

Figure 112014010542898-pat00003

Figure 112014010542898-pat00003

단일ZnO 박막트랜지스터는 S.S 값이 약 0.44 V/decade 값을 보였으나, ZnO 5 nm 소자는 증가한 0.72 V/decade 값 보였다. 하지만 ZnO 20 nm 소자의 경우 0.22 V/decade 로 ZnO에 비해 절반 가량 감소한 특성을 보였다. 이와 같은 변화는 채널에서의 전자포획 같은 현상이 상당히 감소하여 전기적 특성이 향상이 된 것이다.The single ZnO thin film transistor exhibited a value of about 0.44 V / decade for the S.S value, while an increase of 0.72 V / decade for the ZnO 5 nm device. However, in case of ZnO 20 nm device, it is 0.22 V / decade, which is about half that of ZnO. Such a change significantly reduces the phenomenon such as electron trapping in the channel, thereby improving the electrical characteristics.


구 분

division

μ FE (cm2V-1s-1)

μ FE (cm 2 V -1 s -1 )

S.S (V/decade)

SS (V / decade)

단일ZnO 박막트랜지스터(60 nm)

Single ZnO thin film transistor (60 nm)

5.74

5.74

0.44

0.44

ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(5 nm)

ZnO / MgZnO thin film transistor (5 nm)

2.24

2.24

0.72

0.72

ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(10 nm)

ZnO / MgZnO thin film transistor (10 nm)

7.40

7.40

0.24

0.24

ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(20 nm)

ZnO / MgZnO thin film transistor (20 nm)

4.35

4.35

0.22

0.22

ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(30 nm)

ZnO / MgZnO thin film transistor (30 nm)

5.04

5.04

0.27

0.27

상기 표 1은 상기 전자이동도(μ FE)와 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)를 구하는 수식을 이용하여 구한 값이다. 상기 표 1에서 확인할 수 있는 것처럼 이중으로 형성된 ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(ZnO/MgZnO 박막트랜지스터 ZnO 두께 10 nm의 전자이동도 μ FE = 7.40 cm2V-1s-1)의 전자이동도는 단일 ZnO 소자의 전자이동도보다(단일 ZnO 박막트랜지스터 60 nm의 전자이동도 μ FE = 5.74 cm2V-1s-1) 30% 이상 향상되며, 이중으로 형성된 ZnO/MgZnO 박막트랜지스터(ZnO/MgZnO 박막트랜지스터 ZnO 두께 10 nm의 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S) = 0.24 V/decade)는 단일 ZnO 소자의 전자이동도보다(단일 ZnO 박막트랜지스터 60 nm의 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S) = 0.44 V/decade) 50 % 이상 감소하는 것을 확인할 수 있다.
Table 1 is a value obtained by using a formula that determines the electron mobility FE) and the slope (Sub-Threshold Slope, SS) below a threshold voltage. As shown in Table 1, the electron mobility of the double-formed ZnO / MgZnO thin film transistor (electron mobility μ FE = 7.40 cm 2 V -1 s -1 at a ZnO thickness of 10 nm in a ZnO / MgZnO thin film transistor) electron mobility than that of the device (electron mobility of the ZnO single thin film transistor 60 nm Fig μ FE = 5.74 cm 2 V -1 s -1) is improved by more than 30%, formed of a double-ZnO / MgZnO thin film transistor (ZnO / MgZnO thin film transistor Sub-Threshold Slope (SS) = 0.24 V / decade for a ZnO thickness of 10 nm) is higher than the electron mobility of a single ZnO device (a sub-threshold Slope, SS) = 0.44 V / decade) is reduced by 50% or more.

이에 의해 본 발명에 따른 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터는, 종래기술인 단일 활성층 구조의 박막트랜지스터 보다 우수한 소자 성능(전자 이동도, 소자 안정성)을 보이며, 특히 제 1박막인 ZnO활성층과 제 2박막인 MgZnO활성층의 두께를 조절함으로써 박막트랜지스터의 소자 성능을 조절할 수 있음을 알 수 있었으며 이에 따라 최적의 전자이동도를 보이는 제 1박막인 ZnO활성층의 임계 두께치를 산출하여 단일 ZnO 소자보다 전자이동도는 30% 이상 향상되며 문턱전압 이하의 기울기(Sub-Threshold Slope, S.S)를 50 % 이상 감소시킴으로써 그 활용이 극대화 될 것으로 기대된다.Accordingly, the thin film transistor of the ZnO / MgZnO active layer structure according to the present invention exhibits superior device performance (electron mobility, element stability) as compared with the thin film transistor of the single active layer structure of the prior art. In particular, It was found that the device performance of the thin film transistor can be controlled by controlling the thickness of the MgZnO active layer, and thus, the critical thickness value of the ZnO active layer, which is the first thin film having the optimal electron mobility, And it is expected that the utilization will be maximized by reducing the sub-threshold slope (SS) by 50% or more.

100 : 절연기판
200 : ZnO 활성층
300 : MgZnO 활성층
400 : Ti 또는 Ni 금속
500 : Au
100: insulating substrate
200: ZnO active layer
300: MgZnO active layer
400: Ti or Ni metal
500: Au

Claims (10)

절연기판;
상기 절연기판 상에 형성된 제 1박막인 ZnO 활성층;
상기 제 1박막인 ZnO 활성층 상에 형성된 제 2박막인 MgZnO 활성층;
상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 접촉된 소오스 및 드레인전극;을 포함하되,
상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 상기 소오스 및 드레인전극 사이에 제 3박막으로서 ZnO 활성층이 하나 더 형성된 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
An insulating substrate;
A ZnO active layer that is a first thin film formed on the insulating substrate;
An MgZnO active layer as a second thin film formed on the ZnO active layer as the first thin film;
And source and drain electrodes contacted with the MgZnO active layer, which is the second thin film,
And a ZnO active layer is further formed as a third thin film between the MgZnO active layer and the source and drain electrodes, wherein the second thin film is a ZnO / MgZnO active layer.
제 1항에 있어서, 상기 절연기판은
실리콘, 플라스틱 및 유리기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating substrate
Wherein the thin film transistor is one of silicon, plastic, and glass substrate.
제 1항에 있어서, 상기 제 1박막인 ZnO 활성층은
1 nm ~ 100 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The method according to claim 1, wherein the ZnO active layer, which is the first thin film,
Wherein the active layer is formed with a thickness of 1 nm to 100 nm.
제 1항에 있어서, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층은
1 nm ~ 100 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The method of claim 1, wherein the MgZnO active layer, which is the second thin film,
Wherein the active layer is formed with a thickness of 1 nm to 100 nm.
제 1항에 있어서, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층은
코-스퍼터링(co-sputtering) 증착법에 의해 형성되며, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층에서 Mg의 양은 1 at% ~ 50 at%(atomic percent)의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The method of claim 1, wherein the MgZnO active layer, which is the second thin film,
The ZnO / MgZnO active layer structure is formed by co-sputtering vapor deposition, and the MgZnO active layer, which is the second thin film, has a composition of 1 at% to 50 at% (atomic percent) transistor.
제 5항에 있어서, 상기 제 2박막인 MgZnO 활성층에서 Mg의 양은
코-스퍼터링(co-sputtering) 증착 과정 중에 MgZnO 타겟에 가해주는 파워를 달리함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The method according to claim 5, wherein the amount of Mg in the MgZnO active layer, which is the second thin film,
And the ZnO / MgZnO active layer structure is controlled by varying the power applied to the MgZnO target during the co-sputtering deposition process.
제 1항에 있어서, 상기 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터는,
상기 제 2박막인 MgZnO 활성층과 Ti 또는 Ni 금속을 접촉시켜 오믹 접촉(ohmic contact)이 형성되며, 상기 Ti 또는 Ni 금속 상에 Au로 이루어진 소오스 및 드레인전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The thin film transistor of claim 1, wherein the ZnO / MgZnO active layer structure comprises:
Wherein the first and second thin films are formed of an active layer of MgZnO and Ti or Ni metal to form an ohmic contact and source and drain electrodes of Au are formed on the Ti or Ni metal. Structure of Thin Film Transistor.
제 7항에 있어서, 상기 Ti 또는 Ni 금속은
1 nm ~ 20 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The method of claim 7, wherein the Ti or Ni metal
Wherein the active layer is formed with a thickness of 1 nm to 20 nm.
삭제delete 제 1항에 있어서, 제 3박막인 ZnO 활성층은
1 nm ~ 100 nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 ZnO/MgZnO 활성층 구조의 박막트랜지스터.
The method according to claim 1, wherein the ZnO active layer, which is the third thin film,
Wherein the active layer is formed with a thickness of 1 nm to 100 nm.
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