하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀, ALD 기반 HfO2 절연막이 적용된 1V 구동 고이동도 산화물 박막 트랜지스터 개발

- 재료 및 전자소자 분야의 저명 국제 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces (IF: 8.2, JIF ranking: 82.1%) 게재 -

(좌측부터) 공동 제1저자인 김은하, 박세룡 학생, 하태준 교수

본교 하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀은 삼성디스플레이 공정 개발팀과 함께 atomic layer deposition (ALD) 공정을 기반으로 high-k HfO2절연막과 amorphous indium-tin-gallium-zinc oxide (ITGZO) 채널층을 제작하고, 이를 이용해 저전압(1 V)에서 동작하는 고이동도 산화물 박막 트랜지스터(TFT)를 개발하는 데 성공하였다.

이번 연구 결과는 재료 및 전자소자 분야의 저명 국제 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces(IF: 8.2, JIF ranking: 82.1%)에 “1V-Operable High-Mobility Amorphous Indium-Tin-Gallium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors with High-k Hafnium Dioxide Gate Dielectrics through Continuous Atomic Layer Deposition” 제목으로 게재되었다.

연구팀은 liquid delivery system 기반 single cocktail precursor 공정을 도입하여 다성분 산화물 반도체를 안정적으로 형성하였으며, Sn 도핑과 연속 ALD 공정을 통해 trap state를 효과적으로 억제하였다. 이를 통해 세계 최초로 150 cm2V-1s-1 수준의 높은 이동도와 108 이상의 on/off ratio, 0.07 V dec-1 이하의 낮은 subthreshold swing 특성을 가지는 산화물 반도체 박막트랜지스터를 구현하였다.

특히, 1 V 이하의 저전압 환경에서도 우수한 구동 특성과 안정성을 확보하여 차세대 저전력 디스플레이용 산화물 백플레인의 가능성을 제시하였다. 또한, 연구팀은 온도 의존 이동도 분석과trap density of states 분석을 통해 산화물 반도체 박막트랜지스터의 전하 수송 특성을 체계적으로 해석하였으며, 연속 ALD 공정이 절연막과 반도체 계면 결함을 억제하여 이동도를 크게 향상시키는 핵심 메커니즘임을 확인하였다.

본 연구는 중소벤처기업부가 주관하는 중소기업 기술 혁신 개발 사업 및 산업통상자원부가 주관하는 탄소중립 산업핵심기술개발사업 지원으로 수행되었으며 삼성 디스플레이를 수요기업으로 2023년부터 2030년까지 8년간 공동 연구를 진행하고 있다.

한편, 본 연구에 참여한 공동 제1저자인 김은하, 박세룡 학생은 석사 학위 취득 후 현재 삼성디스플레이 연구원으로 재직 중이다.

Web link: https://doi.org/10.1021/acsami.6c03799