TFT 동작 및 a-Si TFT의 구조

TFT도 소스, 드레인 및 게이트를 가진 3단자 소자로서 스위칭 동작을 한다. MOSFET와 마찬가지로 TFT의 동작은 소스와 드레인 사이에 전류를 게이트에 인가되는 전압으로 제어함으로써 on/off 상태를 수행하는 스위치 소자이다. 이러한 TFT는 센서나 광소자 등에 응용될 뿐만 아니라 능동 행렬형의 디스플레이에서는 화소 표시를 조절하는 스위치로 사용한다. 일반적으로 액정을 사용한 평판 디스플레이는 상판과 하판의 유리 사이에 5㎛ 두께의 액정을 채우게 되는데, 각 상판과 하판에는 띠 모양의 전극이 교차하여 화소를 구성한다. 최근에는 TFT를 사용하여 구동 전압을 제어함으로써 화소를 동작시키는 AM-LCD가 정보 디스플레이에 주류를 이루고 있다. 특히, 비정질 실리콘 박막은 350도 이하의 저온에서 증착이 가능하기 때문에 저가의 대화면용 디스플레이 패널로 사용할 수 있다는 이점이 있다. 이후, AM-LCD는 디스플레이 기술, 반도체 기술 및 액정소재 기술 등이 종합적으로 개선을 거듭하면서 대면적 유리 기판으로의 적용을 추구하고 있다. 특히, TFT를 ply-Si 기판에 구성할 경우에는 주변 구도회로를 TFT와 동일기판상에 일체화하는 것이 가능하기 때문에 구동회로부와 화소표시부 사이에 접속이 용이해진다. 또한, TFT를 적용하면 투과형 LCD를 적용하기 쉬우며, 이로 인하여 자연색을 구현하기가 더욱 쉽다. TFT의 동작은 MOSFET와 같이 선형 영역과 포화 영역으로 구분한다. TFT의 단면도와 전류 전압 특성을 나타낸다. 선형영역은 드레인 전압이 작을 경우에는 드레인과 소스 사이에 특성이 OHMIC 저항 성분을 가진다. 따라서 드레인 전류는 드레인 전압에 비례하여 나타나는데 선형 영역에 해당하며, 이는 Vp 증가에 따라 서서히 Ip가 증가한다. Vp가 매우 작은 선형 영역에서 전류-전압 특성을 분석하기 위해 선형 채널 근사법을 적용하면 x축의 전계는 Vg에 영향을 받아 채널을 형성하며, y축의 전계는 Ip를 흐르게 하는 역할을 한다. 포화영역은 드레인 전압이 높은 경우에는 드레인 전류가 드레인 전압에 관계없이 일정한 특성을 나타내며, 포화 영역에 해당한다. 이때 게이트 전압 하에 채널은 드레인 쪽에서부터 사라지는 핀치오프가 일어나며 드레인 전류는 더 이상 증가하지 않고 일정하게 포화된다. 이러한 포화 영역에서의 드레인 전류가 생기기 때문에 TFT 특성은 비정질 실리콘의 특성, 박막 측의 접촉 특성 및 소자의 구조와 크기 등에 의해 영향을 받게 된다. a-Si TFT 구조와 공정에 대해서 설명하겠다. 현재 LCD는 중소형의 경우에는 TN/STN LCD가 주류를 이루며, 노틉ㄱ이나 각종 컴퓨터의 모니터나 TV 등 대형의 경우에는 여러 종류의 TFT-LCD가 많이 적용되고 있다. 비정질 실리콘과 다결정 실리콘 구조와 동작에 대해서 알아보도록 하겠다. a-Si-TFT는 비정질 실리콘이며, 구조적으로 결정의 원자 배열과 같이 규칙적이지 않으며, 무형질이라고도 부른다. 결정인 경우에 실리콘 원자는 이웃하는 4개의 다른 실리콘과 공유결합하여 규칙적인 배열ㅇ르 하게 되며, 실리콘의 격자 상수는 5,432이다. 반면에 비정질 실리콘은 결합각이나 결합길이가 결정질과 유사하지만 규칙적인 배열을 하지 않는다. 즉, 비정질의 실리콘은 이웃하는 실리콘 원자와 결합을 모두 채우지 못하고 끊어진 모양을 하며, 이를 미결합 상태로 존재한다. 이러한 미완의 dangling bond에 수소 원자를 연결하여 수소화된 비정질 실리콘을 만들게 되면 에너지 갭 내에서의 국제상태 밀도를(density of localized states) 줄여준다. 결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 원자결합 모양을 나타내고 있고, dangling bond에 수소 원자가 결합하여 수소화된 비정질 실리콘의 구조를 나타낸다. 실제 Si와 수소의 결합 형태는 a-Si:H 박막 성장에 중요한 역할을 한다. 여러 형태의 결합 중에 Si:H 경우가 상대적으로 높은 결합 에너지를 가지며, Si-H2보다 안정적이다. 비정질 실리콘 박막을 형성함에 있어 300도 이하에서는 열에너지에 의해 Si-H2 결합의 양이 증가하며, Si-H2 결합은 일반적으로 반도체의 특성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. a-Si:H는 에너지 대역이 1.72eV 정도인 직접 반도체이며, 결정질의 실리콘보다 광흡수계수가 높다. 또한, a-Si:H 박막은 p-n 다이오드나 TFT와 같은 소자를 용이하게 제조할 수 있고, 다음과 같은 장점을 가지는데, 첫째 대면적 증착이 용이하고, 둘째로는 저온에서의 증착이 가능하며, 마지막으로 비정질의 재룔서 다른 물질과 좋은 경계 성질을 유지하면서 TFT 공정을 유연하게 제조 할 수 있따. 비정질 실리콘 TFT-LCD는 on/off 동작 상태의 전류비가 크고, 공정온도가 35도 정도로 유리의 융점보다 낮기 때문에 유리기판 상에 용이하게 공정을 할 수 있다는 장점을 가진다. TFT-LCD는 TFT의 구조에 따라 소스와 게이트가 평면상에 놓이는 Coplaner type과 다른 평면상에 놓이는 staggered type이 사용되며, poly Si TFT-LCD의 경우는 coplanar type이 주로 사용된다. a-Si TFT LCD에서 사용하는 Staggered type의 TFT 구조는 게이트가 소스와 드레인 위에 배치된 top gate 형을 나타내며, 만일 반대로 게이트가 아래에 배치되면 inverted staggered type(bottom gate)이라고 한다. inverted staggered type TFT의 구조는 현재 비정질 실리콘 TFT에서 가장 널리 사용되는 구조로서 inverted staggered type은 크게 두 종류로 구분되는데 BCE(Bank channel etch)형 TFT를 나타낸다. BCE형 TFT는 공정수가 적고 간단하다는 장점을 갖지만 N+층을 Over ethcning 해야 하기 때문 에 두께 조절이 용이하지 않다. 그리고 ES형 TFT는 N+층 식각이 용이하고 비정질 실리콘의 두께가 얇다는 장점이 있지만 BCE형에 비해 공정수가 많다는 단점을 가지고 있다.