KR101657345B1 - Thin film transistor, method of fabricating the same, and display device having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막 트랜지스터, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 반도체 채널층 및 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터로서, 상기 반도체 채널층에 In2O3를 포함하는 활성층; 및 상기 In2O3의 산소 공핍 제어를 통한 이동도 향상을 위해 상기 활성층을 결정화시키는 리튬(Li) 금속을 포함하되, 상기 활성층 내에서 상기 게이트 구조에 중첩하는 상기 반도체 채널층에 상기 리튬 금속이 도핑되며, 상기 활성층 내의 인듐(In)과 상기 리튬의 총 몰수에 대한 상기 리튬의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내인 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a thin film transistor, a manufacturing method thereof, and a display device including the same. A thin film transistor according to an embodiment of the present invention is a thin film transistor having a semiconductor channel layer and a gate structure, the active layer including In 2 O 3 in the semiconductor channel layer; And a lithium metal which crystallizes the active layer to improve mobility through the oxygen depletion control of the In 2 O 3 , wherein the lithium metal is added to the semiconductor channel layer overlying the gate structure in the active layer, And the molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium in the active layer is in the range of 0.01% to 20%.
Description
본 발명은 반도체 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속 산화물 박막의 채널층을 갖는 박막 트랜지스터, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor technology, and more particularly, to a thin film transistor having a channel layer of a metal oxide thin film, a method of manufacturing the same, and a display device including the thin film transistor.
최근, 반도체 제조 기술의 발달에 따라, 액정 디스플레이(LCD), 전계 방출 디스플레이(FED), 전기 영동 디스플레이(EPD), 유기ㆍ무기 발광(organicㆍinorganic electrolumininance) 소자 및 자기 볼 디스플레이와 같은 전자 디스플레이 장치 또는 디지털 카메라와 같은 촬상 장치의 시장이 확대되고 있다. 일반적으로, 이들 전자 디스플레이 장치 또는 촬상 장치에는, 발광 부재 또는 수광 부재를 구동하기 하기 위한 스위칭 소자로서 능동형 매트릭스 회로가 제공되며, 상기 능동형 매트릭스 회로는 전계 효과 박막 트랜지스터에 의해 구현된다.Description of the Related Art [0002] Recently, with the development of semiconductor manufacturing technology, electronic display devices such as a liquid crystal display (LCD), a field emission display (FED), an electrophoretic display (EPD), an organic / inorganic electroluminance Or digital cameras have been expanding. In general, these electronic display devices or imaging devices are provided with an active matrix circuit as a switching element for driving a light emitting member or a light receiving member, and the active matrix circuit is implemented by a field effect thin film transistor.
전자 디스플레이 장치의 경우, 상기 전계 효과 박막 트랜지스터의 활성층으로서, 비정질 실리콘 박막 또는 다결정질 실리콘 박막이 광범위하게 적용되어 왔다. 전계 효과 박막 트랜지스터에 있어서, 동일한 게이트 전압과 드레인 전압 하에서 높은 구동 전류를 얻기 위해서는, 채널의 폭을 증가시키는 것이 유리하다. 또한, 전자 디스플레이 장치의 고해상도화와 대형화를 위해서는 높은 전하 이동도를 요구한다. 그러나, 채널의 폭을 증가시키는 것은 광투과도가 낮은 실리콘계 박막의 경우에는 유효 개구율의 한계를 갖는다. 전하 이동도 측면에서, 비정질 실리콘 박막의 낮은 이동도를 개선하기 위하여 다결정질 실리콘 박막을 구현하려는 시도가 있다. 그러나, 다결정질 실리콘 박막은 대면적에서 균일한 결정화를 얻기 어렵고 고가의 공정 비용이 소요되어 한계에 직면하고 있다. In the case of an electronic display device, an amorphous silicon thin film or a polycrystalline silicon thin film has been widely applied as an active layer of the field effect transistor. In a field effect transistor, it is advantageous to increase the channel width to obtain a high driving current under the same gate voltage and drain voltage. In addition, a high charge mobility is required for high resolution and large size of an electronic display device. However, increasing the channel width has a limitation of the effective aperture ratio in the case of a silicon-based thin film having low light transmittance. In terms of charge mobility, there is an attempt to realize a polycrystalline silicon thin film in order to improve the low mobility of the amorphous silicon thin film. However, the polycrystalline silicon thin film is difficult to obtain uniform crystallization in a large area, and it is faced with limitations because an expensive process cost is required.
최근, 채널의 폭을 증가시키지 않으면서도 고이동도를 갖는 활성층으로서, ZnO 또는 In-Ga-Zn-O과 같은 광학적으로 투명한 산화물 반도체 박막이 제안되었다. 이에 관하여는, 미국 특허 공보 제7067843호 및 미국 특허 공개공보 제2006/0108636호를 참조할 수 있다. 그러나, 이들 산화물 반도체 박막은 실용화 단계에서 실리콘계 박막을 대체할만한 수준이 미치지 못하거나 복잡한 3 성분 이상의 조성으로 인하여 제조가 어려우며, 소자의 장기적인 전기적 안정성을 확보하지 못하는 문제점이 있다. Recently, an optically transparent oxide semiconductor thin film such as ZnO or In-Ga-Zn-O has been proposed as an active layer having high mobility without increasing the channel width. In this regard, reference can be made to U.S. Patent No. 7067843 and U.S. Patent Application Publication No. 2006/0108636. However, these oxide semiconductor thin films are difficult to manufacture due to the composition of three or more components which are not enough to replace the silicon thin film in the practical use stage and have a problem in that long-term electrical stability of the device can not be secured.
또한, 향후 폴리머를 소재로 하는 기판을 사용하는 플렉서블의 전자 소자에서는 고온 공정이 불가능하기 때문에 저온 공정에 의해서도 제조될 수 있는 우수한 특성을 갖는 활성층 물질의 선택과 그 박막 형성 기술의 확보가 요구된다.Further, in a flexible electronic device using a substrate made of a polymer as a material in the future, it is impossible to perform a high-temperature process, and therefore it is required to select an active layer material having excellent characteristics that can be produced even by a low-temperature process, and to secure a thin film forming technique.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반도체 활성층이 전자기파 스펙트럼의 가시 광선 영역에서 투명하여 채널 폭에 의한 유효 면적 감소가 작고, 높은 전하 이동도와 낮은 문턱 전압을 가짐으로써 디스플레이 장치의 대면적화와 고해상도화에 적합한 구동 소자로서 적용 가능하고, 전력 소모가 적은 전계 효과 박막 트랜지스터를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same, The present invention provides a field effect thin film transistor which is applicable as a driving element suitable for forming a field effect transistor and consumes less power.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 전계 효과 박막 트랜지스터의 저온 형성이 가능하여 기판 선택의 범위가 크고, 대면적화가 가능한 전계 효과 박막 트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a method of fabricating a field effect transistor capable of forming a low temperature region of a field effect transistor having the above-described advantages, thereby enabling a large substrate selection range and a large area.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 고속 스위칭 소자를 이용한 대면적 및 고해상도를 가지며, 바람직하게는 플렉시블 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a flexible display device having a large area and a high resolution using a high-speed switching device.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터는, 반도체 채널층 및 게이트 구조를 갖는 박막 트랜지스터로서, 상기 반도체 채널층에 In2O3를 포함하는 활성층; 및 상기 In2O3의 산소 공핍 제어를 통한 이동도 향상을 위해 상기 활성층을 결정화시키는 리튬(Li) 금속을 포함하되, 상기 활성층 내에서 상기 게이트 구조에 중첩하는 상기 반도체 채널층에 상기 리튬 금속이 도핑되며, 상기 활성층 내의 인듐(In)과 상기 리튬의 총 몰수에 대한 상기 리튬의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내인 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a thin film transistor having a semiconductor channel layer and a gate structure, the thin film transistor including: an active layer including In 2 O 3 in the semiconductor channel layer; And a lithium metal which crystallizes the active layer to improve mobility through the oxygen depletion control of the In 2 O 3 , wherein the lithium metal is added to the semiconductor channel layer overlying the gate structure in the active layer, And the molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium in the active layer is in the range of 0.01% to 20%.
또한, 상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계; 용매 내에 리튬 전구체 및 인듐 전구체를 함유하는 혼합 용액을 제공하는 단계; 및 상기 혼합 용액을 상기 기판 상에 코팅하여 박막 트랜지스터를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 제조된 박막 트랜지스터는 반도체 채널층에 In2O3를 포함하는 활성층 및 상기 In2O3의 산소 공핍 제어를 통한 이동도 향상을 위해 상기 활성층을 결정화시키는 리튬(Li) 금속을 포함하되, 상기 활성층 내에서 상기 게이트 구조에 중첩하는 상기 반도체 채널층에 상기 리튬 금속이 도핑되며, 상기 활성층 내의 인듐(In)과 상기 리튬의 총 몰수에 대한 상기 리튬의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 기판; 및 상기 기판 상에 형성되고 복수의 화소들에 대응되도록 어레이 형태로 배치되는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 디스플레이 장치로서, 상기 스위칭 소자는, In2O3 및 도핑된 Li 금속을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 활성층의 일부 또는 전부와 중첩되는 게이트 도전막; 및 상기 게이트 도전막에 의해 이격된 상기 활성층의 양 측부에 형성된 소오스 및 드레인 영역을 포함하고, 상기 In2O3의 산소 공핍 제어를 통한 이동도 향상을 위해, 상기 활성층 내에서 상기 게이트 도전막에 중첩하는 반도체 채널층에 상기 리튬 금속이 도핑되며, 상기 활성층 내의 인듐(In)과 상기 리튬의 총 몰수에 대한 상기 리튬의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내인 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thin film transistor, including: providing a substrate; Providing a mixed solution containing a lithium precursor and an indium precursor in a solvent; And forming a thin film transistor by coating the mixed solution on the substrate, wherein the thin film transistor has an active layer including In 2 O 3 in a semiconductor channel layer and an active layer containing In 2 O 3 Wherein the lithium metal is doped into the semiconductor channel layer superposed on the gate structure in the active layer, and the indium (In) and the indium (In) And the molar ratio of lithium to the total number of moles of lithium is in the range of 0.01% to 20%.
According to another aspect of the present invention, there is provided a display device comprising: a substrate; And a plurality of switching elements formed on the substrate and arranged in an array so as to correspond to the plurality of pixels, wherein the switching element comprises: an active layer including In 2 O 3 and a doped Li metal; A gate conductive film overlying a part or all of the active layer with a gate insulating film disposed therebetween; And a source and drain region formed on both sides of the active layer spaced apart by the gate conductive layer. In order to improve mobility through the control of oxygen depletion of In 2 O 3 , the gate conductive layer The overlapping semiconductor channel layer is doped with the lithium metal, and the molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium in the active layer is in the range of 0.01% to 20%.
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전술한 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 활성층으로서 높은 광투과도를 갖는 In2O3 를 포함하는 활성층에 산소와 전기음성도의 차이가 큰 Li 이온을 도핑하여 저온 형성된 상기 활성층의 결정성을 향상시켜서 전하 이동도를 증가시키고, 산소 공핍 결함 밀도를 억제하여 In2O3 활성층 내 자유전자 농도가 트랜지스터의 채널층으로서 적용 가능한 정도로 감소시킬 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 투명 소자에서 채널 폭에 의한 유효 면적 감소 문제를 개선하고, 높은 전하 이동도와 낮은 문턱 전압을 갖는 디스플레이 장치의 대면적화와 고해상도화에 적합한 구동 소자를 제공하고, 전력 소모가 적은 전계 효과 박막 트랜지스터가 제공될 수 있다.The thin film transistor according to the above-described embodiment of the present invention is characterized in that the active layer including In 2 O 3 having high light transmittance as an active layer is doped with Li ions having a large difference in oxygen and electronegativity from the active layer, Thereby increasing the charge mobility and suppressing the density of oxygen vacancy defects, so that the free electron concentration in the In 2 O 3 active layer can be reduced to such an extent that can be applied as a channel layer of the transistor. Thus, according to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a driving device suitable for a large-sized and high-resolution display device having a high charge mobility and a low threshold voltage, A field effect transistor having less power consumption can be provided.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터의 제조 방법은 종래의 In 계 산화물인 In-Ga-Zn-O와 비교시, 리튬을 도핑하는 것만으로도 저온 형성이 가능하고, 이를 용액법에 의해 구현함으로써, 제조가 용이하고, 플렉시블 소자의 구현에 적합한 제조 공정이 제공할 수 있다.In addition, in comparison with In-Ga-Zn-O, which is a conventional In-based oxide, a method of manufacturing a thin film transistor according to an embodiment of the present invention can form a low temperature only by doping lithium, By the implementation, it is possible to provide a manufacturing process that is easy to manufacture and suitable for the implementation of a flexible device.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 장치는 전술한 이점을 갖는 박막 트랜지스터를 구동 소자로 사용함으로써 대면적과 고해상도를 가질 뿐만 아니라, 상기 구동 소자의 저온 형성 공정에 의해 플렉시블 디스플레이 장치를 제공할 수 있다.
Further, the display device according to the embodiment of the present invention not only has a large area and a high resolution by using the thin film transistor having the advantages described above as a driving device, but also can provide a flexible display device by a low temperature forming process of the driving device have.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터들을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용액법에 의해 제조된 리튬이 도핑된 In2O3 활성층 및 리튬이 도핑되지 않은 비교 실시예에 따른 X선 회절 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 샘플 A, B, 및 C의 원자간력 현미경(Atomic force microscope)의 분석 이미지이며, 도 3d는 비교 실시예에 따른 샘플 R1의 원자간력 현미경의 분석 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이 도핑된 In2O3 활성층과 비교 실시예에 따른 리튬이 도핑되지 않은 순수 In2O3 활성층을 사용하는 박막 트랜지스터의 전압(VG)-드레인 전류(ID)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating thin film transistors according to embodiments of the present invention, respectively.
FIG. 2 is an X-ray diffraction graph of a lithium-doped In 2 O 3 active layer prepared by a solution method according to an embodiment of the present invention and a comparative example in which lithium is not doped.
FIGS. 3A to 3C are analysis images of an atomic force microscope of samples A, B and C according to the embodiment of the present invention described above, FIG. 3D is an analysis image of an atomic force microscope It is an analytical image of a force microscope.
FIGS. 4A and 4B are graphs showing the relationship between the voltage (V G ) of a thin-film transistor using a lithium-doped In 2 O 3 active layer according to an embodiment of the present invention and a pure In 2 O 3 active layer without lithium- -Drain current (I D ).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified in various other forms, The present invention is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.
이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the following description, when a layer is described as being on top of another layer, it may be directly on top of the other layer, with a third layer intervening therebetween. In the drawings, the thickness and size of each layer are exaggerated for convenience and clarity of description, and the same reference numerals refer to the same elements in the drawings. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a," "an," and "the" include singular forms unless the context clearly dictates otherwise. Also, " comprise "and / or" comprising "when used herein should be interpreted as specifying the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, operations, elements, elements, and / or groups.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various elements, components, regions, layers and / or portions, these members, components, regions, layers and / It is obvious that no. These terms are only used to distinguish one member, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the figures, for example, variations in the shape shown may be expected, depending on manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions illustrated herein, including, for example, variations in shape resulting from manufacturing.
본 명세서에서 사용된 "비정질 구조"라는 용어는 일반적으로 원자들이 분명한 주기적 배열을 결여하고 있는 낮은 정도의 질서도를 갖는 비결정질 구조를 의미하며, 이는 상기 비결정질 구조 내에 마이크로 결정이 형성된 구조도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
As used herein, the term " amorphous structure "generally refers to an amorphous structure having a low degree of orderliness in which atoms lack a definite periodic arrangement, including structures in which microcrystals are formed in the amorphous structure Should be interpreted.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터들(100, 200)을 도시하는 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views illustrating
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(10) 상에 박막 트랜지스터(100, 200)가 형성된다. 기판(10)은 박막 트랜지스터(100, 200)의 형성 공정과 양립할 수 있으며, 박막 트랜지스터(100, 200)가 형성될 절연성 표면을 제공할 수 있는 재료로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 기판(10)은 유리 또는 수지계 재료와 같은 투광성 재료를 포함할 수 있다. 상기 수지계 재료는 가요성(flexibility)을 갖고 유리에 비해 가볍기 때문에 플렉시블 디스플레이 소자를 위해 바람직하다. 예를 들면, 상기 수지계 재료는, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)와 같은 폴리에스테르 수지; 폴리에틸렌 수지; 염화 폴리비닐 수지; 폴리카보네이트(PC); 폴리에테리 술폰(PES); 폴리에테르 에테르케톤(PEEK); 황화 폴리페닐렌(PPS) 또는 이들의 혼합물 또는 적층 구조일 수 있다. 또 다른 예로서, 기판(10)은 통상의 반도체 제조 공정이 가능한 Si 또는 Ge와 같은 Ⅳ족 반도체, SiGe와 같은 혼합 반도체, GaAs과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, 또는 CdS와 같은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 이들은 예시적일 뿐, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 예를 들면, 기판(10)은 알루미늄 산화물과 같은 세라믹 재료 또는 절연층으로 코팅된 금속 시트 또는 하지에 집적 회로가 형성된 집적 회로층일 수도 있다. Referring to FIGS. 1A and 1B,
일부 실시예에서는, 기판(10) 상에 박막 트랜지스터(100, 200)를 형성하기 전에, 기판(10) 표면의 불순물을 제거하거나, 불순물의 확산 또는 부착 특성을 개선하기 위한 적절한 표면 처리를 수행할 수 있다. 예를 들면, 기판(10) 표면에 대하여 플라즈마 처리 또는 과산화 수소수, 에탄올 및 아세톤과 같은 약액 또는 탈이온화수를 이용한 세정 공정을 통하여 불순물을 제거할 수 있다. 또한, 기판(10)과 박막 트랜지스터(100, 200) 사이에서 발생하는 불순물의 확산이나 부착 특성을 개선하기 위하여, 기판(10) 상에 실리콘 산화막, 금속 산화막 또는 금속 질화막과 같은 부가층(미도시)의 형성 공정을 수행할 수도 있다.In some embodiments, before forming the
전술한 바와 같이 준비된 기판(10) 상에 형성된 박막 트랜지스터(100, 200)는 활성층(13a, 13b) 및 게이트 절연막(12a, 12b)을 사이에 두고 활성층(13a, 13b)의 적어도 일부와 중첩되는 게이트 도전막(11a, 11b) 및 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 활성층(13a, 13b)과 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b) 사이에 오믹 접촉을 위한 부가층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. 또한, 게이트 절연막(12a, 12b)과 게이트 도전막(11a, 11b) 사이에 부착 특성을 개선하기 위하여, Ti, Cr, W, Ta, Mo, Ni 또는 이들의 합금으로부터 선택된 부가층(미도시)을 더 형성할 수도 있다.The
도 1a에 도시된 박막 트랜지스터(100)는, 활성층(13a) 상에 순차대로 게이트 절연막(12a) 및 게이트 도전막(11a)을 형성하여, 활성층(13a)을 기준으로 게이트 도전막(11a)이 기판(10)의 반대쪽에 배치되는 상부 게이트 구조를 갖는다. 다른 실시예로서, 도 1b에 도시된 박막 트랜지스터(200)는, 게이트 도전막(11b) 상에 순차대로 게이트 절연막(12b) 및 활성층(13b)이 형성되어, 활성층(13b)를 기준으로 게이트 도전막(11b)이 기판(10) 측에 배치되는 하부 게이트 구조를 갖는다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 박막 트랜지스터들(100, 200)의 구조는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 박막 트랜지스터는 당해 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 활성층(13a, 13b)에 소스 및 드레인 전극들(14a, 14b)이 접합하는 방식에 따라 스태거드 형(Staggered type) 또는 평면형(Coplanar type) 트랜지스터일 수도 있다.The
활성층(13a, 13b)은 In2O3 및 도핑된 리튬(Li) 금속을 포함한다. 상기 활성층(13a, 13b) 내의 리튬(Li)과 인듐(In)의 총 몰수에 대한 리튬(L)의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내이다. 리튬 함량이 0.01 % 미만인 경우에는 산소 결함의 제어가 충분하지 않아 도체이고, 리튬 함량이 20 %를 초과하면, 결정화는 일어나지만, 리튬 이온이 전하 억제제로서 작용하기 때문에 자유전자의 농도가 감소하고 리튬에 의한 전하의 스캐터링에 의해 오히려 이동도가 감소하고 온 전류의 크기가 감소되어 트랜지스터의 채널층으로 적용하기 어렵다. 바람직하게는, 상기 리튬 함량은 200 ℃ 내지 300 ℃의 범위의 저온 형성시에도 결정화가 일어나면서 캐리어 수의 감소 및 산란의 증가 효과가 나타나지 않는 10 % 내지 20 % 범위 내이다. 상기 리튬이 도핑된 In2O3 활성층은 N 형 증가형(enhanced)으로 동작하며, 리튬이 도핑되지 않은 순수한 In2O3 활성층과 비교시, 전계 효과 전하 이동도(μFE)의 극적인 향상과 문턱 전압의 감소가 나타난다.The
또한, 순수한 In2O3 활성층 내에 리튬(Li)을 도핑함으로써 비정질의 순수한 In2O3 활성층이 저온 공정에서도 결정상으로 변해가며, 리튬(Li)의 도핑량이 증가할수록 결정립의 크기가 증가되고, 이로써 전하 이동도가 향상될 수 있다. 상기 리튬이 도핑된 In2O3 활성층의 두께는 20 nm 내지 2,000 nm의 범위 내이다. 20 nm 미만의 두께를 갖는 In2O3 활성층에서는 충분한 전하 농도와 전계 이동도를 얻을 수 없으며, In2O3 활성층의 두께가 2,000 nm를 초과하면 벌크 효과가 나타날 수 있으므로 바람직하지 않다.Further, by doping lithium (Li) in a pure In 2 O 3 active layer gamyeo pure In 2 O 3 active layer of an amorphous is turned into a crystal phase in a low temperature process, the greater the amount of doping of the lithium (Li) increases the size of the crystal grains, whereby The charge mobility can be improved. The thickness of the lithium-doped In 2 O 3 active layer is in the range of 20 nm to 2,000 nm. The In 2 O 3 having an active layer less than 20 nm in thickness can not be obtained a sufficient charge density and the electric field mobility, when the thickness of the In 2 O 3 active layer exceeds 2,000 nm is not preferable because it may receive the bulk effect.
In2O3 산화물은 In의 5s 오비탈의 등방성과 작은 유효질량으로 인해 우수한 이동도를 가지고 있어 투명 전도막으로서 널리 응용되지만, 활성층으로 사용되기 위해서는 전도성 기구인 산소 공핍 결함의 제어가 필요하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 산소와 전기음성도의 차이가 큰 Li 이온이 In2O3 활성층 내에 첨가되어 저온 형성된 In2O3 활성층의 결정성을 향상시켜서 이동도를 증가시키고, 산소 공핍 결함 밀도를 억제함으로써 In2O3 활성층 내 자유전자 농도를 트랜지스터의 채널로서 적용 가능한 정도로 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 In2O3 활성층 내 Li 이온의 첨가에 의해 트랩 밀도도 감소되어 순수한 In2O3 활성층에 비하여 S.S factor가 개선될 수도 있다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 리튬이 도핑된 In2O3 활성층이 트랜지스터의 채널층으로서 갖는 이점에 관한 정량적 특성에 대하여는 후술하도록 한다. In 2 O 3 oxide is widely used as a transparent conductive film because of its excellent mobility due to the isotropy of 5s orbital of In and a small effective mass. However, in order to be used as an active layer, control of oxygen depletion defect, which is a conductive mechanism, is required. According to an embodiment of the invention, improve the crystallinity of oxygen and electronegativity of In 2 O 3 active layer is greater Li ion difference is added into the In 2 O 3 active layer formed of a low temperature by increasing the mobility of oxygen depletion defects By suppressing the density, the concentration of free electrons in the In 2 O 3 active layer can be reduced as much as applicable to the channel of the transistor. In addition, the In 2 O 3 is reduced even in the active layer traps the density by the addition of Li ion can be improved as compared to the pure factor SS In 2 O 3 active layer. The quantitative characteristics of the advantages of the lithium-doped In 2 O 3 active layer as a channel layer of the transistor according to the embodiment of the present invention will be described later.
활성층(13a, 13b)은 저온 증착 공정이 가능한 용액법, 전자빔 증착법, 레이저 융착법(laser ablation) 또는 스퍼터링법에 의하여 형성될 수 있지만, 바람직하게는 용액법에 의해 형성될 수 있다. 상기 용액법에 의한 리튬이 도핑된 In2O3 활성층의 형성은, 용매 내에 리튬 전구체 및 인듐 전구체가 분산된 혼합 용액을 제공하고, 이후, 상기 혼합 용액을 기판 상에 코팅하여 건조 및 소성함으로써 달성된다. The
일 실시예에서, 상기 리튬 전구체는 리튬염, 예를 들면, 리튬 질산염(Lithium nitrate), 리튬 수산화염(Lithium hydrate), 또는 리튬질산수산화염(Lithium nitrate hydrate)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 인듐 전구체는 인듐염, 예를 들면, 인듈 질산염(Indium nitrate) 또는 인듐수산화염(Indium hydrate) 또는 인듐질산수산화염(Indium nitrate hydrate; In(NO3)3.xH2O)을 포함할 수 있다. 상기 혼합 용액 내에서, 인듐과 리튬 전구체의 총 몰수에 대한 리튬 전구체의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내일 수 있다. In one embodiment, the lithium precursor may include a lithium salt, for example, lithium nitrate, lithium lithium hydrate, or lithium nitrate hydrate. The indium precursor may include indium salts such as indium nitrate or indium hydrate or indium nitrate hydrate In (NO 3 ) 3 .xH 2 O) can do. In the mixed solution, the molar ratio of the lithium precursor to the total moles of indium and lithium precursor may be in the range of 0.01% to 20%.
상기 혼합 용액의 제조를 위한 상기 용매는, 예를 들면, 클로로폼, N-메틸피롤리돈, 아세톤, 시클로펜탄온, 시클로헥산온, 메틸에틸케톤, 에틸셀로솔브아세테이트, 부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 클로로벤젠, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 테트라히드로푸르푸릴 알코올, 부탄올, 부틸 아세테이트, 메톡시에탄올, 1-메톡시-2-프로판올, 톨루엔, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸아세테이트 및 아세토니트릴로 구성되는 군에서 선택되는 용매를 단독으로 사용하거나 2종 이상을 임의의 비율로 혼합된 혼합 용매일 수 있다. 그러나, 상기 용매는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 용매는 용액법에 의한 박막 형성시 리튬의 급격한 산화에 의한 폭발 및 연소를 방지할 수 있는 비수계 전해액일 수도 있다. 상기 비수계 전해액은, 예를 들면, 에틸렌카르보네이트, 프로필렌카르보네이트, 디메틸카르보네이트와 같은 카르보네이트와 같은 탄화수소체를 포함할 수도 있다. The solvent for the preparation of the mixed solution may be, for example, chloroform, N-methylpyrrolidone, acetone, cyclopentanone, cyclohexanone, methylethylketone, ethylcellosolve acetate, butyl acetate, ethylene glycol , Xylene, tetrahydrofuran, dimethylformamide, chlorobenzene, methanol, ethanol, isopropanol, tetrahydrofurfuryl alcohol, butanol, butyl acetate, methoxyethanol, 1-methoxy-2-propanol, toluene, dimethylacetamide DMAc), dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl acetate and acetonitrile may be used alone, or two or more solvents may be mixed Mixed for daily use. However, the solvent is illustrative and the present invention is not limited thereto. For example, the solvent may be a non-aqueous liquid electrolyte capable of preventing explosion and combustion due to rapid oxidation of lithium upon forming a thin film by the solution method. The non-aqueous liquid electrolyte may contain, for example, a hydrocarbon compound such as a carbonate such as ethylene carbonate, propylene carbonate, or dimethyl carbonate.
상기 혼합 용액을 기판 상에 코팅하는 것은, 드롭 캐스팅법, 스핀 코팅법, 블레이드법, 잉크젯 프린팅법, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법, 그라비아법, 레이저 프린팅법, 임프린트법, 나노임프린트법, 나노트랜스퍼법, 오프셋법, 솔겔법, 또는 딥핑법으로 수행될 수 있다. 이들 코팅법은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 용액법에 의한 활성층의 두께 조절은 상기 용매 내에 첨가되는 리튬 전구체 및 인듐 전구체의 총 농도에 의해 조절될 수 있다. 상기 용액법은 대면적 공정이 가능할 뿐만 아니라 저온 박막 형성이 가능하여 종래의 유리 기판 이외에도 전술한 바와 같은 경량의 수지계 가요성 기판이 사용될 수 있다. 특히 가요성 기판이 적용되는 경우, 롤투롤(roll-to-roll) 공정과 같은 대면적 증착 공정이 가능한 이점이 있다.The coating of the mixed solution on the substrate can be carried out by a known method such as a drop casting method, a spin coating method, a blade method, an inkjet printing method, a spraying method, a screen printing method, a gravure method, a laser printing method, an imprint method, a nano imprint method, Method, an offset method, a sol-gel method, or a dipping method. These coating methods are merely exemplary and the present invention is not limited thereto. The thickness control of the active layer by the solution method can be controlled by the total concentration of the lithium precursor and the indium precursor added in the solvent. The solution method is not only capable of a large area process, but also can form a low-temperature thin film, so that a light-weight resin-based flexible substrate as described above can be used in addition to a conventional glass substrate. In particular, when a flexible substrate is applied, there is an advantage that a large-area deposition process such as a roll-to-roll process can be performed.
상기 기판 상에 코팅된 박막의 소성은 열처리에 의해 수행될 수 있다. 예를들면, 비활성 분위기 또는 산소 분위기에서 200 ℃ 내지 300 ℃ 의 온도 범위 내에서 수행될 수 있다.The baking of the thin film coated on the substrate can be performed by heat treatment. For example, in an inert atmosphere or in an oxygen atmosphere within a temperature range of 200 ° C to 300 ° C.
활성층(13a, 13b)과 접하는 게이트 절연막(12a, 12b)은 실리콘 활성층의 열산화, 또는 스퍼터링 및 플라즈마강화 화학기상증착법에 의해 증착된 실리콘 산화물층을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 게이트 절연막(12a, 12b)은 원자층 증착법 또는 플라즈마강화 화학기상증착법에 의해 증착되는 실리콘 산화물보다 높은 유전율 갖는 예를 들면, 실리콘 질화물 (Si3N4), 하프늄 산화물 (HfO2), 알루미늄 산화물 (Al2O3), 탄탈륨 산화물 (Ta2O5), 티타늄 산화물 (TiO2), 가돌리늄 산화물 (Gd2O3), 지르코늄 산화물 (ZrO2), 바륨 지르코늄 타이타늄 산화물(BaZrTiO3), 바륨 스트론튬 타이타늄 산화물(BaSrTiO3)과 같은 고유전율 재료, 또는 실리콘 산화물을 포함하는 전술한 2 이상의 적층 구조를 포함할 수 있다. 이들 게이트 절연막(12a, 12b) 또한 저온 공정이 가능한 용액법을 사용하여 채널층 상에 성막될 수 있다.The
게이트 도전막(11a, 11b)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착법 등에 의해 금속층을 증착하고 이를 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 금속층은 낮은 저항을 갖고 열적 안정성이 우수한, 예를 들면, Al, Au, Ag, Ti, Cu 또는 이들의 합금 등으로 형성될 수 있다. The gate
소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b)은 활성층(13a, 13b)의 양 측부에 각각 접속된다. 이들 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b) 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다. 상기 투명 전극은, 예를 들면, 인듐-주석-산화물(Indium-Tin-Oxide; ITO), 불화 주석 산화물(Fluorinated Tin Oxide; FTO), 인듐 산화물(Indium Oxide; IO) 및 주석 산화물(Tin Oxide; SnO2)과 같은 투명 금속 산화물, 폴리아세틸렌(polyacetylene)과 같은 투명 도전성 수지 또는 도전성 금속 미립자를 함유하는 도전성 수지 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 소오스 및 드레인 전극들(14a, 14b)은 스퍼터링, 전자빔 증착법, 실크스크린법, 또는 잉크젯법에 의해 도전막을 증착하고 이를 패터닝하여 형성되며, 열처리 공정을 더 수행할 수도 있다.
The source and
이하에서는, 다양한 분석 결과를 참조하여 전술한 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 정량적인 특성에 관하여 상술한다.Hereinafter, the quantitative characteristics of the thin film transistor including the active layer will be described in detail with reference to various analysis results.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용액법에 의해 제조된 리튬이 도핑된 In2O3 활성층 및 리튬이 도핑되지 않은 비교 실시예에 따른 X선 회절 그래프이다. 상기 활성층은, 인듐 전구체인 In(NO3)3.xH2O과 리튬 전구체인 Lithium nitrate hydrate를 용매인 2-methoxylethanol에 용해 및/또는 분산된 혼합 용액을 제조한 후, 이를 스핀 코팅 방법으로 코팅하여 제조하였다. FIG. 2 is an X-ray diffraction graph of a lithium-doped In 2 O 3 active layer prepared by a solution method according to an embodiment of the present invention and a comparative example in which lithium is not doped. The active layer may be formed by preparing a mixed solution of In (NO 3 ) 3 .xH 2 O, which is an indium precursor, and lithium nitrate hydrate, which is a lithium precursor, in a solvent, 2-methoxylethanol, by spin coating .
곡선 A, B, C는 각각 상기 활성층 내 리튬(Li)과 인듐(In)의 총 몰수에 대한 리튬(L)의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내에 속하는 6.7 %, 13.5 % 및 16.8 %의 함량을 갖는 활성층(각각, 샘플 A, B, C라 함)에 대하여 250 ℃에서 열처리된 후의 분석 결과이며, 곡선 R1 및 R2는 각각 250 ℃ 및 400 ℃에서 열처리된 후의순수한 In2O3 활성층(각각 샘플 R1 및 R2라 함)의 분석 결과이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 250 ℃의 저온에서도 리튬의 첨가에 의해 결정화가 일어나고, 리튬의 도핑량이 증가될수록 결정화가 더욱 잘 일어나는 것을 알 수 있으며, 바람직하게는, 리튬 함량이 10 % 내지 20 % 의 범위 내에 속하는 13.5 % 및 16.8 %에서 결정화가 강하게 일어난다. 이와 대조적으로, 순수한 In2O3 활성층은 250 ℃의 열처리로는 결정화가 되지 않고(곡선 R1 참조), 400 ℃의 고온 열처리를 통해서 비로소 결정화가 되는 것을 알 수 있다(곡선 R2 참조).Curves A, B, and C show the molar ratio of lithium (L) to the total number of moles of lithium (Li) and indium (In) in the active layer being 6.7%, 13.5%, and 16.8% (A, B and C, respectively). The curves R1 and R2 are the pure In 2 O 3 active layer after heat treatment at 250 ° C and 400 ° C, respectively Referred to as samples R1 and R2, respectively). According to the embodiment of the present invention, crystallization occurs by the addition of lithium even at a low temperature of 250 DEG C, and crystallization is more likely to occur as the doping amount of lithium increases. Preferably, the lithium content is 10% to 20% Lt; RTI ID = 0.0 > 13.5% < / RTI > and 16.8% In contrast, the pure In 2 O 3 active layer is not crystallized by a heat treatment at 250 ° C (see curve R 1), and crystallized only through a high temperature heat treatment at 400 ° C (see curve R2).
도 3a 내지 도 3c는 전술한 본 발명의 실시예에 따른 샘플 A, B, 및 C의 원자간력 현미경(Atomic force microscope)의 분석 이미지이며, 도 3d는 비교 실시예에 따른 샘플 R1의 원자간력 현미경의 분석 이미지이다. FIGS. 3A to 3C are analysis images of an atomic force microscope of samples A, B and C according to the embodiment of the present invention described above, FIG. 3D is an analysis image of an atomic force microscope It is an analytical image of a force microscope.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 결정화에 따라 결정립이 성장하는 것을 확인할 수 있으며, 도 3d의 경우에는 비정질 구조의 XRD 패턴과 부합하는 이미지를 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3A to 3C, it can be seen that crystal grains grow according to crystallization as described above with reference to FIG. 2. In FIG. 3D, an image corresponding to an XRD pattern of an amorphous structure can be confirmed.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이 도핑된 In2O3 활성층과 비교 실시예에 따른 리튬이 도핑되지 않은 순수 In2O3 활성층을 사용하는 박막 트랜지스터의 전압(VG)-드레인 전류(ID)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 제조된 박막 트랜지스터의 채널층의 폭과 길이(W/L)는 150 ㎛ / 14 ㎛이다.FIGS. 4A and 4B are graphs showing the relationship between the voltage (V G ) of a thin-film transistor using a lithium-doped In 2 O 3 active layer according to an embodiment of the present invention and a pure In 2 O 3 active layer without lithium- -Drain current (I D ). The width and length (W / L) of the channel layer of the manufactured thin film transistor are 150 占 퐉 / 14 占 퐉.
곡선 a 내지 곡선 e는 각각 본 발명의 실시예에 따른 0.8 %, 6.7%, 8.7 %, 13.5 % 및 16.8 %의 함량의 리튬이 도핑된 In2O3 활성층을 포함하는 박막 트랜지스터의 분석 결과이며, 곡선 r은 비교 실시예에 따른 리튬이 도핑되지 않은 순수 In2O3 활성층의 분석 결과이다. 적용된 게이트 절연막은, 지르코늄 산화물(ZrO2)이며, 용매로서 2-methoxylethanol을 사용하고 지르코늄 산화물의 전구체로서 ZrO(NO3)2.xH2O을 사용하여 용액법에 의해 In2O3 활성층 상에 약 15 nm 내지 20 nm의 두께로 형성하였다.Curves a to e are the results of analysis of the thin film transistor including the lithium-doped In 2 O 3 active layer in the contents of 0.8%, 6.7%, 8.7%, 13.5% and 16.8% according to the embodiment of the present invention, The curve r is the analysis result of the pure In 2 O 3 active layer without lithium doping according to the comparative example. A gate insulating film is applied, and the zirconium oxide (ZrO 2), using 2-methoxylethanol as the solvent and as the zirconium oxide precursor in the In 2 O 3 active layer by a solution method using a ZrO (NO 3) 2 .xH 2 O And a thickness of about 15 nm to 20 nm.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 순수 In2O3 활성층에 비하여, In2O3 활성층 내에 리튬의 함유량이 증가할수록 문턱 전압이 감소될 뿐만 아니라 Ion/Ioff 의 크기도 증가함을 확인할 수 있다. 표 1은 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한 샘플들의 문턱 전압(Vth), 전계 효과 최대 이동도 및 S.S 팩터의 측정 값들이 기재되어 있다. 표 1을 참조하면, 리튬이 도핑됨으로써 문턱 전압이 감소되고, S.S 팩터의 증가됨을 확인할 수 있다. 또한 포화 이동도가 증가됨을 확인할 수 있다. 4A and 4B, it can be seen that as the content of lithium in the In 2 O 3 active layer increases, the threshold voltage decreases and the size of I on / I off increases as compared to the pure In 2 O 3 active layer have. Table 1 lists the threshold voltage (V th ), field effect maximum mobility and measured values of the SS factor of the samples described with reference to FIGS. 4A and 4B. Referring to Table 1, it can be confirmed that the threshold voltage is reduced and the SS factor is increased by doping with lithium. Also, it can be confirmed that the saturation mobility is increased.
(%)Lithium mole ratio
(%)
(V/cm2·s)Field effect maximum mobility
(V / cm 2 s)
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리튬이 도핑된 In2O3 활성층의 두께 변화에 따른 박막 트랜지스터의 전압(VG)-드레인 전류(ID)의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. In2O3 활성층의 폭/길이는 150 ㎛/ 14 ㎛ 이다. In2O3 활성층의 두께는 용액법에 의해 형성시 용액 내 리튬 및 인듐의 전구체의 농도를 조절함으로써 제어할 수 있다. 분석된 활성층의 두께는 각각 0.15 mm(곡선 a), 0.2 mm(곡선 b), 0.3 mm(곡선 c), 및 0.5 mm(곡선 d)이다. 도 5를 참조하면, 드레인 인가 전압이 1 V에서, 채널층의 두께가 두꺼워질수록 전하의 농도는 증가되며, 더 큰 이동도를 갖는 것을 알 수 있다. 5 is a graph showing a measurement result of a voltage (V G ) -drain current (I D ) of a thin film transistor according to a thickness variation of a lithium-doped In 2 O 3 active layer according to an embodiment of the present invention. The width / length of the In 2 O 3 active layer is 150 μm / 14 μm. The thickness of the In 2 O 3 active layer can be controlled by adjusting the concentration of the precursor of lithium and indium in the solution when formed by a solution method. The thicknesses of the analyzed active layers are 0.15 mm (curve a), 0.2 mm (curve b), 0.3 mm (curve c), and 0.5 mm (curve d). Referring to FIG. 5, it can be seen that as the drain applied voltage is 1 V, the thicker the channel layer, the higher the charge concentration and the greater the mobility.
전술한 실시예에 따르면, 리튬이 도핑된 In2O3 활성층을 적용한 박막 트랜지스터는 순수한 In2O3 활성층의 문턱 전압, 전계 효과 이동 및 ION/OFF 를 개선하여 스위칭 소자로서 실제 응용에 적합하다. 상기 박막 트랜지스터를 행 × 열의 2차원 어레이 형태로 배열하고, 모든 열 방향의 박막 트랜지스터들의 게이트 전극막을 서로 전기적으로 연결하여 게이트 라인을 형성하고, 모든 행 방향의 박막 트랜지스터들의 소오스 및 드레인 전극들 중 어느 하나를 전기적으로 연결하여 데이터 라인을 형성하여 능동형 매트릭스 구동 소자를 구현할 수 있다. 상기 능동형 매트릭스 구동 소자는 액정 디스플레이(LCD), 전계 방출 디스플레이(FED), 전기 영동 디스플레이(EPD), 유기ㆍ무기 발광(organicㆍinorganic electrolumininance) 소자 및 자기 볼 디스플레이와 같은 전자 디스플레이 장치 또는 디지털 카메라와 같은 촬상 장치의 발광 부재 또는 수광 부재를 구동을 위해 응용될 수 있다. According to the above-described embodiment, a thin film transistor using a lithium-doped In 2 O 3 active layer improves threshold voltage, field effect shift, and I ON / OFF of a pure In 2 O 3 active layer, and is suitable for practical application as a switching device . The thin film transistors are arranged in a two-dimensional array of rows and columns, gate lines of all the column-direction thin film transistors are electrically connected to each other to form gate lines, and one of the source and drain electrodes of all the row- One may be electrically connected to form a data line to realize an active matrix driving device. The active matrix driving device may be an electronic display device such as a liquid crystal display (LCD), a field emission display (FED), an electrophoretic display (EPD), an organic or inorganic electroluminescence device, It can be applied for driving light emitting members or light receiving members of the same imaging device.
또한, 당업자에게 있어서, 본 명세서에 개시된 활성층은 필요에 따라 바이폴라 트랜지스터 또는 소자 집적도를 증가시키기 위한 3차원 반도체 소자를 제조하기 위한 버티컬 소자의 활성층에도 적용될 수 있음은 자명하다.
Further, it is apparent to those skilled in the art that the active layer disclosed in this specification can be applied to an active layer of a vertical device for manufacturing a bipolar transistor or a three-dimensional semiconductor device for increasing the device integration degree, if necessary.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.
Claims (17)
상기 활성층은 In2O3 및 리튬(Li) 금속을 포함하고,
상기 리튬(Li) 금속은 상기 활성층의 상기 게이트 구조와 중첩하는 영역에 도핑되어, 상기 In2O3의 결정성을 향상시키고 산소 공핍 결함을 억제하며,
상기 활성층 내의 인듐(In)과 상기 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 상기 리튬(Li)의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내인 박막 트랜지스터.1. A thin film transistor having an active layer and a gate structure,
Wherein the active layer comprises In 2 O 3 and a lithium metal,
The lithium metal is doped in a region overlapping the gate structure of the active layer to improve the crystallinity of the In 2 O 3 and suppress oxygen deficiency defects,
Wherein the molar ratio of lithium (Li) to the total number of moles of indium (In) and lithium (Li) in the active layer is in a range of 0.01% to 20%.
상기 활성층 내의 상기 인듐(In)과 상기 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 상기 리튬(Li)의 몰비는 10 % 내지 20 %의 범위 내인 박막 트랜지스터.The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of the lithium (Li) to the total mole number of the indium (In) and the lithium (Li) in the active layer is in a range of 10% to 20%.
상기 박막 트랜지스터는 N 형 증가형으로 구동되는 박막 트랜지스터.The method according to claim 1,
Wherein the thin film transistor is driven in an N-type increase type.
기판을 제공하는 단계;
용매 내에 리튬 전구체 및 인듐 전구체를 함유하는 혼합 용액을 제공하는 단계; 및
상기 혼합 용액을 상기 기판 상에 코팅하여 상기 활성층을 제조하는 단계를 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.A method of manufacturing a thin film transistor according to claim 1,
Providing a substrate;
Providing a mixed solution containing a lithium precursor and an indium precursor in a solvent; And
And coating the mixed solution on the substrate to produce the active layer.
상기 혼합 용액의 상기 용매는, 클로로폼, N-메틸피롤리돈, 아세톤, 시클로펜탄온, 시클로헥산온, 메틸에틸케톤, 에틸셀로솔브아세테이트, 부틸아세테이트, 에틸렌글리콜, 크실렌, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아미드, 클로로벤젠, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 테트라히드로푸르푸릴 알코올, 부탄올, 부틸 아세테이트, 메톡시에탄올, 1-메톡시-2-프로판올, 톨루엔, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에틸아세테이트 및 아세토니트릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 2 이상의 혼합물을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.6. The method of claim 5,
The solvent of the mixed solution may be at least one selected from the group consisting of chloroform, N-methylpyrrolidone, acetone, cyclopentanone, cyclohexanone, methylethylketone, ethylcellosolve acetate, butyl acetate, ethylene glycol, xylene, tetrahydrofuran, (1-methoxy-2-propanol, toluene, dimethylacetamide (DMAc), dimethylformamide (1-methoxy-2-propanol), and the like, in the presence of a base, such as dimethylformamide, chlorobenzene, methanol, ethanol, isopropanol, tetrahydrofurfuryl alcohol, DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), ethyl acetate and acetonitrile.
상기 리튬 전구체는 리튬 질산염(Lithium nitrate), 리튬 수산화염(Lithium hydrate), 또는 리튬질산수산화염(Lithium nitrate hydrate)을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.6. The method of claim 5,
Wherein the lithium precursor comprises lithium nitrate, lithium lithium hydrate, or lithium nitrate hydrate.
상기 인듐 전구체는 인듐 질산염(Indium nitrate), 인듐수산화염(Indium hydrate) 또는 인듐질산수산화염(Indium nitrate hydrate; In(NO3)3.xH2O)을 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법. 6. The method of claim 5,
Wherein the indium precursor comprises indium nitrate, indium hydrate or indium nitrate hydrate (In (NO 3 ) 3 .xH 2 O).
상기 코팅하는 단계는, 드롭 캐스팅법, 스핀 코팅법, 블레이드법, 잉크젯 프린팅법, 스프레이 분사법, 스크린 인쇄법, 그라비아법, 레이저 프린팅법, 임프린트법, 나노임프린트법, 나노트랜스퍼법, 오프셋법, 솔겔법, 또는 딥핑법으로 수행되는 박막 트랜지스터의 제조 방법.6. The method of claim 5,
The coating may be performed by any of a variety of methods such as a drop casting method, a spin coating method, a blade method, an inkjet printing method, a spraying method, a screen printing method, a gravure method, a laser printing method, an imprint method, a nanoimprint method, A sol-gel method, or a dipping method.
상기 활성층을 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위 내에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 박막 트랜지스터의 제조 방법.6. The method of claim 5,
And annealing the active layer within a temperature range of 200 ° C to 300 ° C.
상기 혼합 용액 내의 상기 인듐(In)과 상기 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 상기 리튬의 몰비는 10 % 내지 20 %의 범위 내인 박막 트랜지스터의 제조 방법.6. The method of claim 5,
Wherein a molar ratio of lithium to total moles of indium (In) and lithium (Li) in the mixed solution is in a range of 10% to 20%.
상기 스위칭 소자는,
In2O3 및 도핑된 리튬(Li) 금속을 포함하는 활성층;
상기 활성층 상에 배치되는 게이트 절연막을 사이에 두고 상기 활성층의 일부와 중첩되는 게이트 도전막; 및
상기 게이트 도전막에 의해 이격된 상기 활성층의 양 측부에 형성된 소오스 및 드레인 영역을 포함하고,
상기 In2O3의 결정성을 향상시키고 산소 공핍 결함을 억제하기 위해, 상기 활성층의 상기 게이트 도전막과 중첩하는 영역에 상기 리튬(Li) 금속이 도핑되며,
상기 활성층 내의 인듐(In)과 상기 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 상기 리튬(Li)의 몰비는 0.01 % 내지 20 %의 범위 내인 디스플레이 장치.Board; And a plurality of switching elements formed on the substrate and arranged in an array so as to correspond to a plurality of pixels,
The switching device includes:
An active layer including In 2 O 3 and a doped lithium (Li) metal;
A gate conductive film overlying a part of the active layer with a gate insulating film disposed on the active layer interposed therebetween; And
And source and drain regions formed on both sides of the active layer spaced apart by the gate conductive film,
In order to improve the crystallinity of In 2 O 3 and to suppress oxygen depletion defects, the lithium metal is doped in a region of the active layer overlapping the gate conductive film,
Wherein a molar ratio of lithium (Li) to the total number of moles of indium (In) and lithium (Li) in the active layer is in a range of 0.01% to 20%.
상기 활성층 내의 상기 인듐(In)과 상기 리튬(Li)의 총 몰수에 대한 상기 리튬의 몰비는 10 % 내지 20 %의 범위 내인 디스플레이 장치.14. The method of claim 13,
Wherein the molar ratio of lithium to the total number of moles of indium (In) and lithium (Li) in the active layer is in a range of 10% to 20%.
상기 스위칭 소자는 N 형 증가형으로 구동되는 디스플레이 장치.14. The method of claim 13,
Wherein the switching element is driven in an N-type incremental mode.
상기 기판은, 유리 또는 가요성의 수지계 재료를 포함하는 디스플레이 장치.14. The method of claim 13,
Wherein the substrate comprises glass or a flexible resin-based material.
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