KR102485787B1 - 박막트랜지스터 어레이 기판 및 이를 포함하는 표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 채널의 두께가 다른 액티브층을 형성하여 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 박막트랜지스터 어레이 기판 및 이를 포함하는 표시장치를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판은 기판, 게이트 전극, 액티브층, 게이트 절연막, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다. 게이트 전극은 기판 상에 위치한다. 액티브층은 게이트 전극과 대향하며, 두께가 서로 다른 제1 영역 및 제2 영역을 가지며 적어도 반도체 물질을 포함한다. 게이트 절연막은 게이트 전극과 액티브층 사이에 개재된다. 소스 전극 및 드레인 전극은 액티브층에 각각 접촉한다.

Description

박막트랜지스터 어레이 기판 및 이를 포함하는 표시장치{Array Substrate for Thin Film Transistor And Display Device Of The Same}
본 발명은 박막트랜지스터 어레이 기판 및 이를 포함하는 표시장치에 관한 것이다.
최근, 표시장치(FPD: Flat Panel Display)는 멀티미디어의 발달과 함께 그 중요성이 증대되고 있다. 이에 부응하여 액정표시장치(Liquid Crystal Display : LCD), 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panel: PDP), 전계방출표시장치(Field Emission Display: FED), 유기전계발광표시장치(Organic Light Emitting Device) 등과 같은 여러 가지의 디스플레이가 실용화되고 있다.
표시장치를 구동하는 방식에는 수동 매트릭스(passive matrix) 방식과 박막 트랜지스터(thin film transistor)를 이용한 능동 매트릭스(active matrix) 방식이 있다. 수동 매트릭스 방식은 양극과 음극을 직교하도록 형성하고 라인을 선택하여 구동하는데 비해, 능동 매트릭스 방식은 박막트랜지스터를 각 화소 전극에 연결하여 온/오프 스위칭하는 것에 따라 구동하는 방식이다.
박막트랜지스터는 전자이동도, 누설전류 등과 같은 기본적인 박막트랜지스터의 특성뿐만 아니라, 오랜 수명을 유지할 수 있는 내구성 및 전기적 신뢰성이 매우 중요하다. 여기서, 박막트랜지스터의 액티브층은 주로 비정질 실리콘, 다결정 실리콘 또는 산화물 반도체로 형성될 수 있다. 그러나 비정질 실리콘은 성막 공정이 간단하고 생산 비용이 적은 장점이 있지만, 전자이동도가 0.5㎠/Vs로 낮은 단점이 있다. 산화물 반도체는 온/오프비가 약 108 정도이고 누설 전류가 낮지만, 전자이동도가 10㎠/Vs로 다결정 실리콘 대비 낮은 단점이 있다. 다결정 실리콘은 100㎠/Vs 정도의 전자이동도가 빠르나, 산화물 반도체 대비 온/오프비가 낮고 대면적에 적용하기에는 비용이 많이 소비되는 단점이 있다. 따라서, 박막트랜지스터의 전자이동도, 누설전류, 온/오프비 등의 특성을 향상시키기 위한 연구가 계속되고 있다.
본 발명은 채널의 두께가 다른 액티브층을 형성하여 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 박막트랜지스터 어레이 기판 및 이를 포함하는 표시장치를 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판은 기판, 게이트 전극, 액티브층, 게이트 절연막, 소스 전극 및 드레인 전극을 포함한다. 게이트 전극은 기판 상에 위치한다. 액티브층은 게이트 전극과 대향하며, 두께가 서로 다른 제1 영역 및 제2 영역을 가지며 적어도 반도체 물질을 포함한다. 게이트 절연막은 게이트 전극과 액티브층 사이에 개재된다. 소스 전극 및 드레인 전극은 액티브층에 각각 접촉한다.
제1 영역의 두께는 제2 영역의 두께보다 얇다.
액티브층은 채널 영역을 포함하며, 제1 영역 및 제2 영역은 채널 영역과 완전히 중첩된다.
제1 영역은 소스 전극 또는 드레인 전극 중 어느 하나에 인접하고, 제2 영역은 소스 전극 또는 드레인 전극 중 나머지 하나에 인접한다.
제1 영역의 두께는 3 내지 10nm이다.
제2 영역의 두께는 제1 영역의 두께 대비 1.5 내지 3배이다.
채널 영역의 길이 대비 제2 영역의 길이는 50 내지 90%이다.
액티브층은 다수의 탄소 동소체를 더 포함하며, 탄소 동소체는 반도체 물질 내에 분산된다.
탄소 동소체는 1차원 또는 2차원 구조를 갖는다.
탄소 동소체는 환원 그래핀 옥사이드(rGO), 비산화 그래핀(graphene), 그래핀 나노리본 또는 탄소나노튜브(CNT) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다.
반도체 물질은 세라믹 반도체, 유기 반도체, 전이금속 칼코겐 화합물 또는 산화물 반도체 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이다.
액티브층에서 탄소 동소체는 반도체 물질 100 중량%에 대해 0.001 내지 1 중량%로 포함된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표시장치는 기판, 게이트 전극, 액티브층, 게이트 절연막, 소스 전극, 드레인 전극, 유기절연막 및 화소 전극을 포함한다. 게이트 전극은 기판 상에 위치한다. 액티브층은 게이트 전극과 대향하며, 두께가 서로 다른 제1 영역 및 제2 영역을 가지며 적어도 반도체 물질을 포함한다. 게이트 절연막은 게이트 전극과 액티브층 사이에 개재된다. 소스 전극 및 드레인 전극은 액티브층에 각각 접촉한다. 유기절연막은 소스 전극 및 드레인 전극 상에 위치하고 화소 전극은 유기절연막 상에 위치한다.
액티브층은 다수의 탄소 동소체를 더 포함하며, 탄소 동소체는 반도체 물질 내에 분산되어 있다.
화소 전극과 전기적으로 연결된 유기발광 다이오드, 유기발광 다이오드 상에 위치하는 봉지층, 및 봉지층 상에 위치하는 커버윈도우를 더 포함한다.
화소 전극과 동일 평면 상 또는 하부에서 이격되어 위치하는 공통 전극, 및 상기 공통 전극 상에 위치하는 액정층을 더 포함한다.
본 발명은 액티브층의 채널 영역에 두께가 얇은 제1 영역을 형성하여 문턱전압이 네가티브 방향으로 이동하는 것을 방지하고, 두께가 두꺼운 제2 영역을 형성하여 전자이동도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 채널 영역의 두께가 다르도록 액티브층을 형성함으로써 전자이동도와 문턱전압을 조절할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판을 나타낸 단면도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액티브층을 나타낸 평면도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판의 다양한 구조를 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광표시장치를 나타낸 단면도.
도 11은 산화물 반도체 물질로만 이루어진 액티브층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 산화물 반도체 물질과 탄소나노튜브가 혼합된 액티브층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 13은 비교예 1, 2, 3 및 실시예에 따라 제조된 박막트랜지스터의 전류-전압 커브를 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 14는 도 13의 드레인 전류에 스퀘어 루트(square root)한 값을 나타내는 SQRT-전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 같은 맥락에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "상"에 또는 "아래"에 형성된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접 또는 또 다른 구성 요소를 개재하여 간접적으로 형성되는 것을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
하기에서 개시하는 본 발명에 따른 표시장치는 유기발광표시장치, 액정표시장치, 전기영동표시장치 등일 수 있다. 본 발명에서는 액정표시장치를 예로 설명한다. 액정표시장치는 박막트랜지스터 상에 화소 전극과 공통 전극이 형성된 박막트랜지스터 어레이 기판과 컬러필터 기판, 이 두 기판 사이에 개재된 액정층으로 이루어지는데, 이러한 액정표시장치에서는 공통 전극과 화소 전극에서 수직 또는 수평으로 걸리는 전기장에 의해 액정을 구동한다. 또한, 본 발명에 따른 표시장치는 유기발광표시장치에도 사용 가능하다. 예를 들어, 유기발광표시장치는 박막트랜지스터에 연결된 제1 전극과, 제2 전극, 및 이들 사이에 유기물로 이루어진 발광층을 포함한다. 따라서, 제1 전극으로부터 공급받는 정공과 제2 전극으로부터 공급받는 전자가 발광층 내에서 결합하여 정공-전자쌍인 여기자(exciton)를 형성하고, 여기자가 바닥상태로 돌아오면서 발생하는 에너지에 의해 발광한다. 후술하는 본 발명의 액티브층은 전술한 표시장치의 박막트랜지스터에 사용할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
본 발명은 반도체 물질 단독 또는 탄소 동소체를 더 포함하는 박막트랜지스터를 개시하고, 두께가 서로 다른 영역들을 포함하는 액티브층이 형성된 박막트랜지스터를 개시한다. 박막트랜지스터는 표시장치의 스위칭 소자 또는 구동 소자로 사용한다.
반도체 물질
본 발명의 액티브층은 반도체 물질을 포함한다. 의 반도체 물질은 세라믹 반도체, 유기 반도체, 전이금속 칼코겐 화합물 또는 산화물 반도체로 용액으로 코팅이 가능한 재료들을 사용할 수 있다.
세라믹 반도체는 세라믹의 전기적인 성질을 이용한 것으로, 세라믹은 전자가 어떤 이온이나 원자에 속박되어 있기 때문에 자유롭게 움질일 수 없어 전기가 거의 통하지 않으나, 외부로부터 전계가 가해지면 이에 반응하여 속박된 전자가 재배열을 일으켜 상태가 변하면서 전자가 움직이게 된다. 세라믹 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속원소가 산소(O), 탄소(C), 질소(N) 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물로 이루어진다. 대표적인 세라믹 반도체로는 티타늄산바륨(BaTiO3)을 들 수 있다.
유기 반도체는 반도체 특성을 가진 유기화합물로, 고분자 유기 반도체 또는 저분자 유기반도체를 들 수 있다. 고분자 유기 반도체로는 F8T2(Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene]), PBDTBOTPDO(Poly[(5,6-dihydro-5-octyl-4,6-dioxo-4H-thieno[3,4-C]pyrrole-1,3-diyl){4,8-bis[(2-butyloctyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}]), PBDT-TPD(Poly[[5-(2-ethylhexyl)-5,6-dihydro-4,6-dioxo-4H-thieno[3,4-c]pyrrole-1,3-diyl][4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl]]), PBDTTT-CF(Poly[1-(6-{4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]-6-methylbenzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophen-2-yl}-3-fluoro-4-methylthieno[3,4-b]thiophen-2-yl)-1-octanone]), PCDTBT(Poly[N-9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)], Poly[[9-(1-octylnonyl)-9H-carbazole-2,7-diyl]-2,5-thiophenediyl-2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl-2,5-thiophenediyl]), PCPDTBT(Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta [2,1-b;3,4-b′]dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)]), PFO-DBT(Poly[2,7-(9,9-dioctylfluorene)-alt-4,7-bis(thiophen-2-yl)benzo-2,1,3-thiadiazole]), PTAA(Poly[bis(4-phenyl)(2,4,6-trimethylphenyl)amine]), Poly[(5,6-dihydro-5-octyl-4,6-dioxo-4H-thieno[3,4-c]pyrrole-1,3-diyl)[4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl]], F8BT(Poly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-(benzo[2,1,3]thiadiazol-4,8-diyl)]), P3DDT(Poly(3-dodecylthiophene-2,5-diyl)), P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)), MDMOPPV(Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), MEH-PPV(Poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), P3OT(Poly(3-octylthiophene-2,5-diyl)), PTB7(Poly({4,8-bis[(2-ethylhexyl)oxy]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl}{3-fluoro-2-[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl})) 등을 들 수 있다.
저분자 유기 반도체로는 예를 들어, TIPS-pentacene(6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene), TESPentacene(6,13-Bis((triethylsilyl)ethynyl)pentacene), DH-FTTF(5,5′-Bis(7-hexyl-9H-fluoren-2-yl)-2,2′-bithiophene), diF-TES-ADT(2,8-Difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene), DH2T(5,5′-Dihexyl-2,2′-bithiophene), DH4T(3,3′′′-Dihexyl-2,2′:5′,2′′:5′′,2′′′-quaterthiophene), DH6T(5,5′′′′′-Dihexyl-2,2′:5′,2′′:5′′,2′′′:5′′′,2′′′′:5′′′′,2′′′′′-sexithiophene), DTS(PTTh2)2(4,4′-[4,4-Bis(2-ethylhexyl)-4H-silolo[3,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl]bis[7-(5′-hexyl-[2,2′-bithiophen]-5-yl)-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-c]pyridine], 5,5′-Bis{[4-(7-hexylthiophen-2-yl)thiophen-2-yl]-[1,2,5]thiadiazolo[3,4-c]pyridine}-3,3′-di-2-ethylhexylsilylene-2,2′-bithiophene), SMDPPEH(2,5-Di-(2-ethylhexyl)-3,6-bis-(5′′-n-hexyl-[2,2′,5′,2′′]terthiophen-5-yl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione), TES-ADT(5,11-Bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene) 등을 들 수 있다.
전술한 유기 반도체는 고분자 유기 반도체와 저분자 유기 반도체 중 두 종류 이상을 사용하거나 서로 다른 고분자 유기 반도체들을 사용할 수도 있고, 서로 다른 저분자 유기 반도체들을 사용할 수도 있다.
전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenides)은 반도체 특성을 가진 재료로 예를 들면 전이금속 황화물, 전이금속 셀렌화물, 전이금속 텔루르화물 등일 수 있다. 전이금속 칼코겐 화합물로는 예를 들어, SnSe2, CdSe, ZnSe, ZnTe, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2 등을 사용할 수 있다.
산화물 반도체(Oxide semi-conductor)는 반도체 특성을 가진 재료로 갈륨(Ga), 인듐(In), 아연(Zn), 주석(Sn), 실리콘(Si), 지르코늄(Zr) 등의 금속을 포함하는 산화물일 수 있다. 산화물 반도체의 예로서, IGZO, In2O3, ZnO, IZO, IGO 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 공지된 재료를 사용할 수 있다.
탄소 동소체
본 발명의 액티브층은 전술한 반도체 물질에 분산된 탄소 동소체를 더 포함한다.
본 발명에서 개시하는 탄소 동소체는 서로 공유결합된 탄소 원자의 다환 방향족 분자를 나타낸다. 공유결합된 탄소 원자는 반복되는 단위로서 6개의 구성요소로 된 고리를 형성할 수 있으며, 또한 5개의 구성요소로 된 고리 및 7개의 구성요소로 된 고리 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 탄소 동소체는 단일층일 수 있으며, 또는 탄소 동소체의 다른 층 상에 적층된 다수의 탄소 동소체 층을 포함할 수도 있다. 탄소 동소체는 1차원 또는 2차원 구조를 가진다. 탄소 동소체는 약 10nm의 최대 두께를 가지며, 구체적으로 약 1nm 내지 약 9nm, 더 구체적으로는 약 2nm 내지 약 8nm의 두께를 가진다.
탄소 동소체의 제조방법은 물리적 박리법, 화학 기상 증착법, 화학적 박리법 또는 에피텍셜 합성법 등 크게 4가지가 있다. 물리적 박리법은 그래파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 후 이를 떼어내게 되어 스카치 테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 탄소 동소체 시트를 얻는 방식이다. 화학 기상 증착법은 탄소 동소체를 성장시키고자 하는 기판 표면에 높은 운동 에너지를 가진 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착-분해시켜 탄소 원자로 분리시키고 해당 탄소원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 하여 결정질의 탄소 동소체를 성장시키는 방식이다. 화학적 박리법은 흑연의 산화-환원 특성을 이용한 것으로, 흑연을 황산과 질산 혼합물에 넣어 탄소 동소체 판들의 가장자리에 카르복실 화합물을 붙인다. 염화 티놀에 의해 산염화물로 바뀌고 다시 옥타데실아민을 써서 탄소 동소체 아미드를 만든다. 이것을 테트라히드로푸란과 같은 용액을 이용하여 환수하면 분쇄가 일어나 개별의 탄소 동소체 시트를 얻는 방식이다. 에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)를 1,500℃의 고온으로 가열하여, 실리콘(Si)이 제거되고 남아 있는 카본(C)에 의하여 탄소 동소체를 얻는 방식이다.
본 발명의 탄소 동소체는 환원 그래핀 옥사이드(rGO), 비산화 그래핀, 그래핀 나노리본 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 등을 사용할 수 있다. 환원 그래핀 옥사이드는 그래핀 옥사이드(GO)를 환원시킨 것으로, 흑연에 강산을 가하면 산화시키고 화학적으로 작은 입자 상태로 형성하여 그래핀 옥사이드를 제조하고 그래핀 옥사이드를 환원시켜 제조된다. 비산화 그래핀은 전술한 탄소 동소체의 제조방법 중 산화-환원 공정을 제외한 방법으로 제조된 탄소 동소체를 말한다. 그래핀 나노리본은 그래핀을 폭이 나노미터(nm)인 리본 형태로 잘라낸 것으로, 폭에 따라 일정 에너지 밴드갭을 가진다. 그래핀 나노리본은 탄소 동소체를 포함하는 모노머로부터 합성하거나 탄소나노튜브를 잘라 평면으로 펼쳐 제조될 수 있다. 전술한 탄소 동소체의 종류 외에도 본 발명의 탄소 동소체는 그래핀 나노메쉬 등의 공지된 탄소 동소체 구조들을 적용할 수 있다.
본 발명의 탄소 동소체는 플레이크(flake) 형태로 사용된다. 탄소 동소체 플레이크는 탄소 동소체가 용매에 분산된 분산액을 이용하여 기판 상에 분산액을 코팅하고 용매를 건조한 후 물리적인 힘을 가해 제조될 수 있다. 물리적인 힘을 가하는 방법으로는 볼밀, 비드밀, 초음파 균질기, 스터링(stirring) 등의 방법을 이용하여 탄소 동소체 플레이크를 얻을 수 있다.
탄소 동소체-반도체 물질 혼합물
본 발명의 액티브층이 탄소 동소체와 반도체 물질을 포함하는 경우, 탄소 동소체와 반도체 물질을 혼합하여 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물을 제조할 수 있다.
보다 자세하게, 탄소 동소체 플레이크와 반도체 물질을 준비한다. 탄소 동소체 플레이크와 반도체 물질은 분말 형태로 준비될 수 있다. 탄소 동소체 플레이크와 반도체 물질을 용매에 넣어 혼합하여 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물을 제조한다. 전술한 바와는 달리, 본 발명의 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물 반도체 물질이 포함된 반도체 용액에 탄소 동소체가 분산된 탄소 동소체 분산액을 혼합하여 제조될 수 있다.
이때, 용매는 물; 에탄올, 메탄올, 이소프로필 알코올, 부탄올, 2-에틸헥실알코올, 메톡시펜탄올, 부톡시에탄올, 에톡시에톡시 에탄올, 부톡시에톡시 에탄올, 메톡시 프로폭시 프로판올, 텍산올(texanol), 터피네올 및 이들의 조합에서 선택되는 알코올류; 테트라하이드로퓨란(THF); 글리세롤, 에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 디헥실렌글리콜, 또는 이들의 알킬 에테르; 글리세린, N-메틸피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidinone, NMP), 2-피롤리돈, 아세틸아세톤, 1,3-디메틸이미다졸리논, 티오디글리콜, 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxid, DMSO), N,N-디메틸 아세트아미드(N,N-dimethyl acetamide, DMAc)), 디메틸포름아미드(dimethylformamide, DMF)), 술포란, 디에탄올아민, 트리에탄올아민 및 이들의 조합에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
탄소 동소체를 양호하게 분산시키기 위해, 기타 첨가물을 첨가하거나 초음파를 조사할 수 있다. 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물에 초음파를 조사하는 경우, 초음파를 수차례 분할하여 조사하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 탄소 동소체와 반도체 물질을 혼합하고, 초음파 파쇄기로 강한 초음파(약 250 W)를 약 30분간 조사한다. 이와 같은 공정을 반복함으로써 탄소 동소체가 양호하게 분산된 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물에 사용되는 탄소 동소체의 양은 반도체 물질 고형분 100 중량%에 대해 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 여기서, 탄소 동소체가 반도체 물질 고형분 100 중량%에 대해 0.01 중량% 이상이면, 전하이동도가 향상된 효과를 나타낼 수 있고, 탄소 동소체가 반도체 물질 고형분 100 중량%에 대해 1 중량% 이하이면, 온오프비의 저하를 방지하는 효과를 나타낼 수 있다.
이하, 전술한 재료들을 이용하여 액티브층을 포함하는 박막트랜지스터 및 표시장치에 대해 설명하기로 한다. 하기에서는 구체적으로 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물로 이루어진 액티브층을 예로 설명하지만, 전술한 재료들로 이루어진 액티브도 적용 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판을 나타낸 단면도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액티브층을 나타낸 평면도이며, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판의 다양한 구조를 나타낸 단면도이다.
박막트랜지스터 어레이 기판
본 발명에서 개시하는 박막트랜지스터 어레이 기판은 액티브층 하부에 게이트 전극이 위치하는 바텀 게이트형(bottom-gate type) 박막트랜지스터를 예로 설명한다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에 게이트 전극(120)이 위치한다. 기판(110)은 투명하거나 불투명한 유리, 플라스틱 또는 금속으로 이루어진다. 게이트 전극(120)은 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 탄탈륨(Ta) 및 텅스텐(W)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금의 단층이나 다층으로 이루어진다. 게이트 전극(120) 상에 게이트 전극(120)을 절연시키는 게이트 절연막(130)이 위치한다. 게이트 절연막(130)은 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 질화막(SiNx) 또는 이들의 다층으로 이루어진다.
게이트 절연막(130) 상에 액티브층(140)이 위치한다. 액티브층(140)은 전술한 반도체 물질, 탄소 동소체 또는 이들의 혼합물로 제조된다. 본 발명의 액티브층(140)은 서로 다른 두께를 갖는 제1 영역(142)과 제2 영역(146)을 포함한다. 제1 영역(142)은 제2 영역(146)보다 두께보다 얇은 영역이고, 제2 영역(146)은 제1 영역(142)보다 두께가 두꺼운 영역이다. 즉, 액티브층(140)에서 두께가 얇은 영역은 제1 영역(142)에 해당하고, 액티브층(140)에서 두께가 두꺼운 영역은 제2 영역(146)에 해당된다.
액티브층(140)은 채널 영역(CH)을 포함한다. 채널 영역(CH)은 게이트 전극(120)과 중첩되는 액티브층(140) 중에서 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b) 사이를 의미한다. 액티브층(140)의 제1 영역(142)과 제2 영역(146)은 채널 영역(CH)과 완전히 중첩되는 영역에 해당된다. 즉, 제1 영역(142)은 소스 전극(150a)(또는 드레인 전극(150b)과 중첩되지 않고 제2 영역(146)은 드레인 전극(150b)(또는 소스 전극(150a)과 중첩되지 않는다. 본 발명에서는 제1 영역(142)이 소스 전극(150a)에 인접하도록 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 제2 영역(146)이 소스 전극(150a)에 인접할 수도 있다.
액티브층(140)의 제1 영역(142)은 채널 영역(CH)이 형성되며, 두께가 상대적으로 얇기 때문에 전자 농도가 상대적으로 적게 분포하고 유효채널길이(effective channel length)가 상대적으로 짧다. 따라서, 제1 영역(142)은 문턱전압(Vth)을 포지티브(positive)하게 이동시킬 수 있다. 또한, 액티브층(140)의 제1 영역(142)에 다수의 탄소 동소체를 포함하는 경우, 다수의 탄소 동소체는 캐리어들이 탄소 동소체를 통해 빠르게 이동할 수 있도록 하여 전자 이동도를 증가시킬 수 있다.
액티브층(140)의 제2 영역(146)은 채널 영역(CH)이 형성되며, 두께가 상대적으로 두껍기 때문에 전자 농도가 상대적으로 많이 분포하고 유효채널길이가 상대적으로 길다. 따라서, 제2 영역(146)은 전자 이동도를 증가시키고 문턱전압(Vth)이 네가티브(negative)하게 이동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 액티브층(140)의 제2 영역(146)에 다수의 탄소 동소체를 포함하는 경우, 다수의 탄소 동소체는 캐리어들이 탄소 동소체를 통해 빠르게 이동할 수 있도록 하여 전자 이동도를 증가시킬 수 있다.
그러므로 본 발명의 액티브층(140)은 두께가 얇은 제1 영역(142)과 두께가 두꺼운 제2 영역(146)을 포함함으로써, 전자 이동도를 증가시키고 문턱전압이 네가티브하게 이동하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 액티브층(140)의 제1 영역(142)의 두께(FT)는 3 내지 10nm일 수 있다. 제1 영역(142)의 두께(FT)가 3nm 이상이면 채널 영역(CH)의 두께가 작게 형성되어 전자이동도가 감소하는 것을 방지할 수 있고 제1 영역(142)의 두께(FT)가 10nm 이하이면 액티브층(140)의 두께가 두꺼워지는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 액티브층(140)의 제2 영역(146)의 두께(ST)는 제1 영역(142)의 두께(FT)의 1.5 내지 3배일 수 있다. 제2 영역(146)의 두께(ST)가 제1 영역(142)의 두께(FT)의 1.5배 이상이면 채널 영역(CH)에 캐리어를 공급하여 전자이동도를 증가시킬 수 있고 제2 영역(146)의 두께(ST)가 제1 영역(142)의 두께(FT)의 3배 이하이면, 10nm 이하이면 액티브층(146)의 두께가 두꺼워지는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 액티브층(140)의 제2 영역(146)의 길이(SL)는 채널 영역(CH)의 길이(CHL) 대비 50 내지 90%로 이루어질 수 있다. 제2 영역(146)의 길이(SL)가 채널 영역(CH)의 길이(CHL) 대비 50% 이상이면 채널 영역(CH)에 전자 농도를 최적화하여 전자 이동도를 증가시킬 수 있고, 제2 영역(146)의 길이(SL)가 채널 영역(CH)의 길이(CHL) 대비 90% 이하이면 문턱전압(Vth)이 네가티브로 이동되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 액티브층(140)의 제2 영역(146)의 길이(SL)는 채널 영역(CH)의 길이(CHL)와 적어도 5 대 5로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 도 4에 도시된 바와 같이, 액티브층(140)의 제2 영역(146)의 길이(SL)는 채널 영역(CH)의 길이(CHL)와 적어도 7 대 3으로 이루어질 수 있다. 그러나 도 5에 도시된 바와 같이, 액티브층(140)의 제2 영역(146)의 길이(SL)는 채널 영역(CH)의 길이(CHL)와 적어도 9 대 1을 넘지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 액티브층(140)이 반도체 물질과 탄소 동소체를 포함하는 경우, 액티브층(140)은 제1 영역(142) 및 제2 영역(146)에서 탄소 동소체가 반도체 물질 100 중량%에 대해 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 여기서 탄소 동소체의 함량비가 반도체 물질 100 중량%에 대해 0.01% 이상이면 액티브층의 전자이동도가 향상될 수 있고, 탄소 동소체의 함량비가 반도체 물질 100 중량%에 대해 1 중량% 이하이면 문턱전압(Vth)이 네가티브(-) 방향으로 이동되는 것을 방지할 수 있다. 참고로 반도체 물질 100 중량%라는 것은 반도체 물질 고형분 100 중량%를 의미하며, 반도체 물질 고형분 100 중량% 대비 탄소 동소체 고형분의 중량%를 의미하는 것이다.
전술한 액티브층(140)은 게이트 절연막(130)이 형성된 기판(110) 상에 전술한 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물을 2번 코팅하여 제1 영역(142) 및 제2 영역(146)을 포함하도록 형성할 수 있다. 탄소 동소체-반도체 물질 혼합물을을 코팅하는 방법으로는 스핀 코팅(spin coating), 슬릿 코팅(slit coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 등의 방법을 사용할 수 있으며 용액을 코팅하는 방법이라면 어떠한 방법도 적용 가능하다. 탄소 동소체-반도체 물질 박막에 250℃에서 2시간 동안 열처리를 수행하여 용매를 제거한다. 그리고 탄소 동소체-반도체 박막을 포토리소그래피법으로 패터닝함으로써 본 발명의 액티브층(140)이 제조될 수 있다. 예를 들어, 첫번째 코팅으로 소정 두께의 액티브층 패턴을 형성하고, 두번째 코팅으로 액티브층 패턴 상에 소정 두께를 가진 액티브층 패턴을 추가로 형성하여 서로 다른 두께를 가진 제1 영역(142)과 제2 영역(146)을 가진 액티브층(140)을 형성할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 하프톤 마스크를 이용하여 두께가 서로 다른 액티브층을 1번의 코팅으로 형성할 수도 있다.
액티브층(140) 상에 액티브층(140)의 일측에 접촉하는 소스 전극(150a)과, 액티브층(140)의 타측에 접촉하는 드레인 전극(150b)이 위치한다. 소스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)은 단일층 또는 다층으로 이루어질 수 있으며, 단일층일 경우에는 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 금(Au), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 소스 전극(150a) 및 드레인 전극(150b)이 다층일 경우에는 몰리브덴/알루미늄-네오디뮴, 몰리브덴/알루미늄 또는 티타늄/알루미늄의 2중층이거나 몰리브덴/알루미늄-네오디뮴/몰리브덴, 몰리브덴/알루미늄/몰리브덴 또는 티타늄/알루미늄/티타늄의 3중층으로 이루어질 수 있다.
전술한 본 발명의 액티브층(140)의 채널 영역(CH)에 두께가 얇은 제1 영역을 형성하여 문턱전압이 네가티브 방향으로 이동하는 것을 방지하고, 두께가 두꺼운 제2 영역을 형성하여 전자이동도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 채널 영역(CH)의 두께가 다르도록 액티브층(140)을 형성함으로써 전자이동도와 문턱전압을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 액티브층(140)은 반도체 물질에 탄소 동소체가 분산됨으로써, 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)에 전압이 걸리면 액티브층(140)의 채널로 전자와 정공이 이동한다. 이때, 액티브층(140)의 채널에 탄소 동소체들이 분산되어 있으므로, 전자와 정공이 반도체 물질에서 반도체 물질의 이동도에 따라 이동되다가 도체에 가까운 탄소 동소체에서 매우 빠르게 이동하게 된다. 전자와 정공은 반도체와 탄소 동소체들을 따라 이동하여 전자이동도가 매우 향상될 수 있다. 특히, 반도체 물질은 전자 이동시 발생하는 산란 현상인 스캐터링으로 인해 전자의 이동도가 감소하는 특성이 있으나, 탄소 동소체는 탄소 동소체 내부에서 발생하는 스캐터링 현상이 거의 없어 전자이동도가 감소될 우려를 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 액티브층(140)은 탄소 동소체들이 소량 포함되기 때문에 탄소 동소체들이 서로 접촉(또는 화학적 결합)하는 것에 의해 캐리어가 이동하는 통로가 거의 형성되지 않는다. 따라서, 액티브층(140)의 반도체 특성이 저하되어 오프 전류가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 박막트랜지스터 어레이 기판은 박막트랜지스터의 구조가 다양하게 이루어질 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 박막트랜지스터 어레이 기판은 바텀 게이트형 구조로 이루어지되, 액티브층(140)과 게이트 절연막(130) 사이에 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)이 위치할 수 있다. 보다 자세하게, 기판(110) 상에 게이트 전극(120)이 위치하고, 게이트 전극(120) 상에 게이트 절연막(130)이 위치한다. 게이트 절연막(130) 상에 서로 이격된 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)이 위치하고, 게이트 절연막(130) 상에서 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)에 컨택하도록 액티브층(140)이 위치할 수 있다. 이때, 액티브층(140)은 소스 전극(150a)에 인접하도록 제1 영역(142)이 배치되고, 드레인 전극(150b)에 인접하도록 제2 영역(146)이 배치될 수 있다. 따라서, 액티브층(140)의 채널 영역(CH)의 두께가 다르게 형성되도록 한다.
또한, 도 7을 참조하면, 본 발명의 박막트랜지스터 어레이 기판은 탑 게이트형 구조로 이루어지되, 게이트 절연막(130) 상에 게이트 전극(120), 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)이 위치할 수 있다. 보다 자세하게, 기판(110) 상에 액티브층(140)이 위치하고, 액티브층(140) 상에 게이트 절연막(130)이 위치한다. 게이트 절연막(130) 상에 서로 이격된 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)이 위치하여 액티브층(140)에 컨택하고, 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b) 사이에 게이트 전극(120)이 위치할 수 있다. 이때, 액티브층(140)은 소스 전극(150a)에 인접하도록 제1 영역(142)이 배치되고, 드레인 전극(150b)에 인접하도록 제2 영역(146)이 배치될 수 있다. 따라서, 액티브층(140)의 채널 영역(CH)의 두께가 다르게 형성되도록 한다.
또한, 도 8을 참조하면, 본 발명의 박막트랜지스터 어레이 기판은 탑 게이트형 구조로 이루어지되, 액티브층(140) 하부에 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)이 위치할 수 있다. 보다 자세하게, 기판(110) 상에 서로 이격된 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)이 위치하고, 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b) 상에서 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b)과 컨택하도록 액티브층(140)이 위치한다. 액티브층(140) 상에 게이트 절연막(130)이 위치하고, 게이트 절연막(130) 상에 게이트 전극(120)이 위치할 수 있다. 이때, 액티브층(140)은 소스 전극(150a)에 인접하도록 제1 영역(142)이 배치되고, 드레인 전극(150b)에 인접하도록 제2 영역(146)이 배치될 수 있다. 따라서, 액티브층(140)의 채널 영역(CH)의 두께가 다르게 형성되도록 한다.
이하, 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 박막트랜지스터 어레이 기판을 포함하는 표시장치에 대해 설명한다. 하기에서는 전술한 실시예에 따른 박막트랜지스터 어레이 기판을 포함하는 표시장치를 개시하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 액정표시장치를 나타낸 단면도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기발광표시장치를 나타낸 단면도이다.
표시장치
도 10을 참조하면, 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b) 상에 유기절연막(160)이 위치한다. 유기절연막(160)은 하부의 단차를 평탄화하는 것으로, 포토아크릴(photo acryl), 폴리이미드(polyimide), 벤조사이클로부틴계 수지(benzocyclobutene resin), 아크릴레이트계 수지(acrylate) 등의 유기물로 이루어질 수 있다. 유기절연막(160)은 드레인 전극(150b)을 노출하는 비어홀(165)을 포함한다. 도시하지 않았지만, 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b) 상에 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiNx) 또는 이들의 다층으로 이루어지는 패시베이션막이 위치할 수도 있다.
유기절연막(160) 상에 화소 전극(170)과 공통 전극(180)이 위치한다. 화소 전극(170)은 유기절연막(160)에 형성된 비어홀(165)을 통해 드레인 전극(150b)과 연결된다. 화소 전극(170)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명하면서도 도전성을 가진 물질로 이루어진다. 공통 전극(180)은 화소 전극(170)과 동일한 물질로 이루어진다. 화소 전극(170)과 공통 전극(180)은 서로 교번하여 배치되어, 화소 전극(170)과 공통 전극(180) 사이에 수평 전계를 형성한다.
기판(110)과 대향하는 상부기판(190)이 위치하고, 기판(110)과 상부기판(190) 사이에 액정층(LC)이 위치한다. 본 발명의 실시예에서는 화소 전극(170)과 공통 전극(180)이 동일 평면 상에 위치하는 IPS(in-plane switching) 액정표시장치를 예로 설명하였다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 화소 전극(170) 하부에 공통 전극(180)이 위치할 수도 있고, 공통 전극(180)이 상부기판(190)에 위치할 수도 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 본 발명의 표시장치는 유기발광 다이오드를 포함하는 유기발광표시장치일 수 있다. 보다 자세하게, 소스 전극(150a)과 드레인 전극(150b) 상에 유기절연막(160)이 위치한다. 유기절연막(160)은 드레인 전극(150b)을 노출하는 비어홀(165)을 포함한다.
유기절연막(160) 상에 화소 전극(170)이 위치한다. 화소 전극(170)은 유기절연막(160)에 형성된 비어홀(165)을 통해 드레인 전극(150b)과 연결된다. 화소 전극(170) 상에 뱅크층(175)이 위치한다. 뱅크층(175)은 화소 전극(170)의 일부를 노출하여 화소를 정의하는 화소정의막일 수 있다. 뱅크층(175) 및 노출된 화소 전극(170) 상에 유기막층(190)이 위치한다. 유기막층(190)은 전자와 정공이 결합하여 발광하는 발광층을 포함하고, 정공주입층, 정공수송층, 전자수송층 또는 전자주입층을 포함할 수 있다. 유기막층(190)이 형성된 기판(110) 상에 대향 전극(200)이 위치한다. 대향 전극(200)은 캐소드 전극으로 일함수가 낮은 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 따라서, 화소 전극(170), 유기막층(190) 및 대향 전극(200)을 포함하는 유기발광 다이오드(OLED)가 구성된다.
유기발광 다이오드(OLED)가 형성된 기판(110) 상에 봉지층(210)이 위치한다. 봉지층(210)은 하부의 유기발광 다이오드(OLED)를 포함하는 기판(110)을 봉지하는 것으로 무기막, 유기막 또는 이들의 다층 구조로 이루어질 수 있다. 봉지층(210) 상에 커버윈도우(220)가 위치하여 유기발광표시장치를 구성한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 제1 영역과 제2 영역을 포함하는 액티브층에 대한 실험예를 개시한다. 하기 실험예는 본 발명의 일 실시예일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험 1 : 액티브층 조성 분석
산화물 반도체 물질로만 이루어진 액티브층과, 산화물 반도체 물질과 탄소 동소체가 혼합된 액티브층의 조성을 라만(Raman) 스펙트럼 분석을 실시하였다. 여기서, 탄소 동소체로는 탄소나노튜브를 사용하였으며 산화물 반도체 물질 고형분 100 중량% 대비 0.1 중량%를 혼합하였다. 도 11은 산화물 반도체 물질로만 이루어진 액티브층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 12는 산화물 반도체 물질과 탄소나노튜브가 혼합된 액티브층의 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 산화물 반도체 물질로만 이루어진 액티브층의 라만 스펙트럼 분석 결과는 액티브층이 형성된 기판의 피크(Substrate peak)만 나타났다.
반면, 도 12를 참조하면, 산화물 반도체 물질과 탄소나노튜브가 혼합된 액티브층의 라만 스펙트럼 분석 결과는 기판 피크 외에 탄소 동소체가 존재하면 나타나는 G, D, 2D 피크(peak)가 나타났다. 일반적으로, 박막 내에 탄소나노튜브가 존재하면 라만 스펙트럼 분석 시, G 피크, D 피크 및 2D 피크가 나타난다. 여기서, G 피크의 위치는 1580 cm-1이고, D 피크의 위치는 1340 cm-1이며, 2D 피크의 위치 2700 cm-1이다. G 피크는 흑연계 물질에서 공통적으로 발견되는 피크로서, 그래파이트의 ‘g’를 따서 G 피크라 하며, D 피크는 결정 내의 결함에 의한 피크로 그래핀이나 탄소나노튜브의 결함(defect)에 관련한 피크이다. 2D 피크는 1350cm-1 에너지를 갖는 포논에 의한 비탄성 산란이 2번 연이어서 발생될 경우 나타나기 때문에 1350cm-1의 두 배인 2700cm-1 부근에서 나타난다. D 피크의 경우 탄소나노튜브에 존재하는 결함이 많을수록 피크 값이 증가한다. 따라서, 라만 스펙트럼 분석 결과 G, D, 2D 피크가 나타난 것을 통해, 탄소 동소체인 탄소나노튜브가 존재함을 알 수 있다.
실험 2 : 박막트랜지스터 평가
<비교예 1>
순수 IGZO를 코팅하고 450도에서 1시간 동안 열처리하여 코팅층을 형성한 후 패터닝하여 1층의 액티브층을 형성하였고, 바텀 게이트형 박막트랜지스터를 제조하였다.
<비교예 2>
전술한 비교예 1과 동일한 공정 조건 하에, IGZO 용액에 IGZO 고형분 100 중량% 대비 0.1 중량%의 탄소나노튜브 파우더를 혼합하여 20nm의 두께로 액티브층을 형성한 것만을 달리하여 박막트랜지스터를 제조하였다.
<비교예 3>
전술한 비교예 2와 동일한 공정 조건 하에, 5nm의 두께로 액티브층을 형성한 것만을 달리하여 박막트랜지스터를 제조하였다.
<실시예>
전술한 비교예 1과 동일한 공정 조건 하에, IGZO 용액에 IGZO 고형분 100 중량% 대비 0.1 중량%의 탄소나노튜브 파우더를 혼합하여 두께가 얇은 액티브층을 형성하였고, 액티브층 상에 다시 한번 코팅하여 일부분에 두께가 두꺼운 액티브층을 형성한 것만을 달리하여 박막트랜지스터를 제조하였다. 이때, 도 1의 구조에서 제1 영역은 5nm의 두께로 형성하였고 제2 영역의 두께는 10nm의 두께로 형성하였다.
전술한 비교예 1, 2, 3 및 실시예에 따라 제조된 박막트랜지스터의 전류-전압 커브를 측정하여 도 13에 나타내었고, 도 13의 드레인 전류에 스퀘어 루트(square root)한 값을 나타내는 SQRT-전압을 측정하여 도 14에 나타내었으며, 문턱전압과 전자이동도를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예
문턱전압(Vth, V) -0.5 -9 6.1 2.2
전자이동도(㎠/Vs) 3.3 10.4 0.86 8.4
상기 도 13, 도 14 및 표 1을 참조하면, IGZO로만 이루어진 1층의 액티브층을 구비한 비교예 1은 문턱전압이 -0.5V로 나타났고 전자이동도가 3.3㎠/Vs로 나타났다. IGZO와 탄소나노튜브가 혼합된 1층의 액티브층을 구비한 비교예 2는 문턱전압이 -9V로 나타났고 전자이동도가 10.4㎠/Vs로 나타났다. IGZO와 탄소나노튜브가 혼합된 5nm의 두께의 1층 액티브층을 구비한 비교예 3은 문턱전압이 6.1V로 나타났고 전자이동도가 0.86㎠/Vs로 나타났다. IGZO와 탄소나노튜브가 혼합되며 5nm의 두께의 제1 영역과 10nm의 두께의 제2 영역을 가진 액티브층을 구비한 실시예는 문턱전압이 2.2V로 나타났고 전자이동도가 8.4㎠/Vs로 나타났다.
이 결과를 통해, IGZO로만 이루어진 1층의 액티브층을 구비한 비교예 1은 문턱전압 특성은 양호하나 전자이동도가 낮았다. 또한, IGZO와 탄소나노튜브가 혼합된 1층의 액티브층을 구비한 비교예 2는 전자이동도는 높았으나 문턱전압이 네가티브(-)로 이동되어 특성이 낮았다. 또한, IGZO와 탄소나노튜브가 혼합된 5nm의 두께의 1층 액티브층을 구비한 비교예 3은 전자이동도가 매우 낮았고 문턱전압은 포지티브(+)로 많이 이동되었다. 반면, IGZO와 탄소나노튜브가 혼합되며 5nm의 두께의 제1 영역과 10nm의 두께의 제2 영역을 가진 액티브층을 구비한 실시예는 비교예 1과 3에 비해 전자이동도가 빠르게 나타났으며, 비교예 2와 3에 비해 문턱전압 특성이 우수하였다.
따라서, 본 발명은 액티브층의 채널 영역에 두께가 얇은 제1 영역을 형성하여 문턱전압이 네가티브 방향으로 이동하는 것을 방지하고, 두께가 두꺼운 제2 영역을 형성하여 전자이동도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 채널 영역의 두께가 다르도록 액티브층을 형성함으로써 전자이동도와 문턱전압을 조절할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
110 : 기판 120 : 게이트 전극
130 : 게이트 절연막 140 : 액티브층
142 : 제1 영역 146 : 제2 영역
150a : 소스 전극 150b : 드레인 전극

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 게이트 전극;
    상기 게이트 전극과 대향하며, 제1 두께를 갖는 제1 영역 및 상기 제1 영역으로부터 연장되고 상기 제1 두께보다 두꺼운 제2 두께를 갖는 제2 영역을 가지며, 반도체 물질 및 상기 반도체 물질 100 중량%에 대해 0.01 내지 1 중량%의 탄소 동소체를 포함하는 액티브층;
    상기 게이트 전극과 상기 액티브층 사이에 개재된 게이트 절연막; 및
    상기 액티브층에 각각 접촉하는 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 박막트랜지스터 어레이 기판.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께는 상기 제2 영역의 두께보다 얇은 박막트랜지스터 어레이 기판.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 액티브층은 채널 영역을 포함하며,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 상기 채널 영역과 완전히 중첩되는 박막트랜지스터 어레이 기판.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극 중 어느 하나에 인접하고, 상기 제2 영역은 상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극 중 나머지 하나에 인접하는 박막트랜지스터 어레이 기판.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영역의 두께는 3 내지 10nm인 박막트랜지스터 어레이 기판.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 영역의 두께는 상기 제1 영역의 두께 대비 1.5 내지 3배인 박막트랜지스터 어레이 기판.
  7. 제3 항에 있어서,
    상기 채널 영역의 길이 대비 상기 제2 영역의 길이는 50 내지 90%인 박막트랜지스터 어레이 기판.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 탄소 동소체는 상기 반도체 물질 내에 분산되어 있는 박막트랜지스터 어레이 기판.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 탄소 동소체는 1차원 또는 2차원 구조를 갖는 박막트랜지스터 어레이 기판.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 탄소 동소체는 환원 그래핀 옥사이드(rGO), 비산화 그래핀(graphene), 그래핀 나노리본 또는 탄소나노튜브(CNT) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 박막트랜지스터 어레이 기판.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 반도체 물질은 세라믹 반도체, 유기 반도체, 전이금속 칼코겐 화합물 또는 산화물 반도체 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 박막트랜지스터 어레이 기판.
  12. 삭제
  13. 제1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항 기재의 박막트랜지스터 어레이 기판;
    상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 위치하는 유기절연막; 및
    상기 유기절연막 상에 위치하는 화소 전극을 포함하는 표시장치.
  14. 삭제
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 화소 전극과 전기적으로 연결된 유기발광 다이오드;
    상기 유기발광 다이오드 상에 위치하는 봉지층; 및
    상기 봉지층 상에 위치하는 커버윈도우를 더 포함하는 표시장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 화소 전극과 동일 평면 상 또는 하부에서 이격되어 위치하는 공통 전극; 및
    상기 공통 전극 상에 위치하는 액정층을 더 포함하는 표시장치.
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