플라스틱 필름 위에 실온에서 형성할 수 있는 투명한 산화물 반도체막을 이용한 박막 트랜지스터로 동작 전압 1.5V 실현
개요
㈜히타치(日立)제작소는 최근 산화물 반도체 중에서 주류가 되는 인듐 갈륨 아연 복합 산화물(이하 IGZO)을 이용한 박막 트랜지스터(TFT : Thin Film Transistor)의 채널 층 두께를 기존의 1/10인 6㎚로 박막화하여 스위치 동작 성능을 향상시켰다. 이로써 3~수십 V였던 기존 동작 전압을 대폭 저감하여 전지 및 무선에서의 구동이 가능한 1.5V에서의 동작에 성공했다. 투명하고 실온에서 형성 가능한 산화물 반도체 TFT는 얇고 잘 구부러지는 플라스틱 기판 위에서 실장 가능하여 새로운 전자기기 실현 기술로 기대되고 있다.
기술 개발 배경
최근 경량 · 박형 · 유연성이 우수한 플렉시블한 전자 디바이스의 실현을 위해, 플라스틱 필름을 이용한 기판 위에 프로세서 및 통신 소자, 메모리 등의 전자 회로를 직접 형성하기 위한 기술 개발이 진행되고 있다. 지금까지 디스플레이용으로 실현화돼 왔던 아몰퍼스 실리콘 및 다결정 실리콘을 이용한 TFT는 300℃ 이상의 고온 프로세스로 제조했기 때문에 고온에 약한 플라스틱 위에 전자 회로를 직접 형성하기는 어려웠다. 이에 반해 산화물 반도체를 이용한 TFT는 실온에서 만들 수 있기 때문에 플라스틱 필름제 기판 위에 형성하는 것이 가능하다. 그러나 지금까지 알려진 산화물 TFT 동작 전압은 모두 3V~수십 V로 실리콘 반도체에 비해 높고, 전지 및 무선에 의해 구동되려면 전력 절감화를 위해 보다 저전압에서의 구동이 요구되는 휴대용 전자기기로 대응하기가 어려웠다. 이러한 배경 하에서 히타치는 이번에 산화물 TFT의 동작 전압을 실리콘과 같은 정도인 1.5V까지 저감하는 기술을 개발했다. TFT는 실리콘 반도체와 마찬가지로 소스, 드레인, 게이트의 3단자로 구성되어 소스와 드레인 사이 채널 층이라고 하는 영역에 전류를 흘리고 게이트와 함께 전압으로 전류를 제어하여 On/Off 동작을 행하는데, 산화물 반도체 TFT는 이 채널 층에 산화물 반도체를 이용한다.
개발 성공
히타치는 대표적인 산화물 반도체인 IGZO를 이용하여 채널 층 두께를 기존의 약 1/10이 되는 6㎚까지 박막화하여 기존보다 대폭 저전압인 전원 전압 1.5V에서의 동작을 확인하는 데 성공했다. 이것은 채널 층에 IGZO를 사용하여 박막화함으로써 트랜지스터 Off 시에 흐르는 누설 전류를 저감할 수 있는 등 기존 두께 막에 비해 보다 작은 게이트 전압에서의 On/Off 전환이 가능하도록 함에 따른 것이다. 시험 제작한 산화물 반도체 TFT에서는 스위치의 동작 성능을 나타내는 대표적 지표인 ‘서브 스레숄드(Sub Threshold) 계수’를 25℃로 63㎷/dec까지 줄일 수 있다. 이 값은 이론 한계치(59.2㎷/dec)에 육박하는 것으로, 산화물 TFT로는 세계 최소치다. 그 결과 전원 전압 1.5V에서의 드레인 전류의 On/Off 비는 108 이상이 된다. 또한 이것은 현재 TFT로 실용화되고 있는 아몰퍼스 실리콘 및 다결정 실리콘을 1.5V로 동작시키는 경우의 스위치 동작 성능을 향상시킨다. 이 결과는 2008년 12월 15일 미국 샌프란시스코에서 개최된 전자소자에 관련된 국제 회의 ‘국제 전자 디바이스 회의(IEDM : International Electron Devices Meeting)’에서 발표된 것이다.
개발 디바이스 기술 원리
TFT는 소스, 드레인, 게이트의 3단자로 구성되어 소스 전압 0V에서 드레인, 게이트에 정전압을 더하면 채널 층에 전류가 흘러 On 상태가 된다. 또 게이트에 더한 전압을 0V 이하로 내리면 채널 층에는 전기적으로 절연성을 나타내는 공핍층(空乏層)이라는 영역이 생겨 On 상태가 된다. 따라서 TFT의 전원 전압을 저감하려면 다음과 같은 두 가지가 필요하다.
① TFT가 Off일 경우에 흘려버리는 누설 전류를 될 수 있는 한 줄일 것 ② 보다 작은 게이트 전압에서 On/Off의 전환을 행할 것
여기에는 Off일 때 채널 층이 모두 공핍층이 되는 상태인 완전 공핍화 상태를 만들어 내는 것이 효과적이다. 히타치는 채널 층에 IGZO를 채용하면서 채널 층두께를 Off 시 공핍층 폭보다 얇은 6㎚로 설계함으로써, 완전 공핍화에 성공하여 저전압화를 실현했다.
산화물 반도체 금속 산화물 속 반도체 특성을 나타내는 것으로, 트랜지스터 응용으로는 산화아연 및 In, Ga, Sn의 산화물로 구성되는 복합 산화물 재료가 알려져 있다. 실온에서의 스패터법으로 막을 만들 수 있어 가시광에서 투명해진다는 것이 특징이다. 플렉시블 디바이스, 투명 디바이스 등과 같이 새로운 분야에서의 응용이 기대된다.
박막 트랜지스터(TFT) 유리 등의 절연체 기판 위에서 제작되는 트랜지스터로, 현재는 주로 액티브 매트리스형 액정 디스플레이의 화소 구동에 이용된다.
서브 스레숄드 계수 트랜지스터의 스위칭 동작 성능을 나타내는 지표의 하나로, 드레인 전압을 일정하도록 하거나 드레인 전류를 1항(桁) 변화시키는 데 필요한 서브 스레숄드 영역에서의 게이트 전압 변화량을 말한다. 25℃에서의 이론 한계치는 59.2㎷/dec다.
㎷/dec 전류량을 1항 상승시키는 데 필요한 전압.
공핍층(空乏層) 반도체 속 캐리어(자유전자 및 정공)가 존재하지 않는 영역으로, 전기적으로는 절연성을 나타낸다. 자유 전자가 캐리어가 되는 산화물 TFT에서는 게이트 전극에 더한 부전압을 크게 하여 공핍층 폭을 크게 한다.
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