저온 다결정 실리콘

저온 다결정 실리콘(low-temperature polycrystalline silicon, LTPS)은 상대적으로 낮은 온도(약 650 °C 이하)에서 합성된 다결정 실리콘이다. LTPS는 변형을 유발하는 고온에 노출되는 것을 방지하기 위해 대형 유리 패널을 사용하기 때문에 디스플레이 산업에 중요하다. 특히, 박막 트랜지스터 (LTPS-TFT)에 다결정 실리콘을 사용하는 것은 평면 액정 디스플레이 또는 이미지 센서와 같은 전자 장치의 대규모 생산에 큰 잠재력을 가지고 있다.Fonash, Stephen. "Low Temperature Crystallization and Patterning of Amorphous Silicon Film On Electrically Insulating Substrates." United States Patent (1994). Print.

LTPS는 기존 방법(900 °C 이상)에 비해 약 650 °C 이하에서 합성된 다결정 실리콘이다.

 다결정 실리콘의 개발 
다결정 실리콘(p-Si)은 많은 결정체, 즉 고도로 정돈된 결정 격자의 입자로 구성된 순수하고 전도성 있는 형태의 원소이다. 1984년, 연구에 따르면 비정질 실리콘(a-Si)은 안정적인 구조와 낮은 표면 거칠기를 가진 p-Si 박막을 형성하는 데 탁월한 전구체임을 보여주었다. 실리콘 박막은 표면 거칠기를 최소화하기 위해 저압 화학기상증착(LPCVD)으로 합성된다. 먼저, 비정질 실리콘은 560–640 °C에서 증착된다. 그런 다음 950–1000 °C에서 열처리(재결정화)된다. 결정을 직접 증착하는 대신 비정질 실리콘 박막으로 시작하면 우수한 구조와 원하는 매끄러움을 가진 제품이 생산된다. 1988년, 연구자들은 어닐링 중 온도를 더욱 낮추고 고급 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하면 훨씬 더 높은 수준의 전도성을 얻을 수 있음을 발견했다. 이러한 기술은 마이크로일렉트로닉스, 태양광 발전 및 디스플레이 향상 산업에 깊은 영향을 미쳤다.

 액정 디스플레이에 사용 
섬네일|액정 디스플레이 다이어그램. 트랜지스터에 전류가 가해지면 액정은 정렬되어 더 이상 입사 편광을 회전시키지 않는다. 이로 인해 두 번째 편광판을 통한 투과가 없어 어두운 픽셀이 생성된다.

비정질 실리콘 TFT는 복잡한 고전류 드라이버 회로로 조립될 수 있기 때문에 액정 디스플레이(LCD) 평면 패널에 널리 사용되어 왔다. 비정질 실리콘-TFT 전극은 LCD에서 결정의 정렬을 구동한다. LTPS-TFT의 발전은 더 높은 장치 해상도, 낮은 합성 온도 및 필수 기판 가격 인하와 같은 많은 이점을 가질 수 있다. 그러나 LTPS-TFT는 몇 가지 단점도 가지고 있다. 예를 들어, 기존 a-Si 장치의 TFT 면적은 커서 조리개 비율(불투명 TFT에 의해 차단되지 않고 빛을 통과시키는 면적의 양)이 작다. 서로 다른 조리개 비율의 비호환성으로 인해 LTPS 기반 복잡한 회로 및 드라이버가 a-Si 재료에 통합되는 것을 방지한다. 또한, LTPS의 품질은 트랜지스터를 켤 때 온도가 증가하여 재료의 Si-H 결합을 파괴함으로써 박막을 열화시키기 때문에 시간이 지남에 따라 감소한다. 이로 인해 장치는 드레인 항복 및 전류 누설로 고통받게 된다. 특히 열을 잘 발산하지 못하는 작고 얇은 트랜지스터에서 두드러진다.

 레이저 어닐링에 의한 처리 
섬네일|left| 비정질 실리콘은 결정 구조가 없지만, 다결정 실리콘은 다양한 결정체 또는 결정립으로 구성되며, 각각은 조직화된 격자를 가지고 있다.

XeCl 엑시머-레이저 어닐링(ELA)은 레이저 조사를 통해 a-Si 재료를 녹여 p-Si를 생산하는 첫 번째 주요 방법이다. a-Si의 대응물인 다결정 실리콘은 특정 절차를 통해 비정질 실리콘으로 합성될 수 있으며, 널리 사용되는 a-Si TFT에 비해 여러 가지 장점이 있다.
 높은 전자 이동도 속도
 높은 해상도 및 조리개 비율
 회로의 고집적화에 사용 가능.Kuo, Yue. "Thin Film Transistor Technology—Past, Present, and Future." The Electrochemical Society Interface (2013). Electrochemical Society Interface. Web. 1 Mar. 2015.

XeCl-ELA는 기판을 가열하지 않고 a-Si (두께 500-10000Å)를 p-Si로 결정화하는 데 성공했다.Sameshima, T., S. Usui, and M. Sekiya. "XeClExcimer Laser Annealing Used in the Fabrication of Poly-Si TFT's." IEEE Electron Device Letters 07.05 (1986): 276-78. IEEE Xplore. Web. 2 Mar. 2015. 다결정 형태는 결정 경계에서의 산란 감소로 인해 TFT에 더 나은 이동도를 제공하는 더 큰 결정립을 가지고 있다. 이 기술은 LCD 디스플레이에 복잡한 회로를 성공적으로 통합하는 데 기여한다.Uchikoga, Shuichi. "Low-Temperature Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor Technologies for System-on-Glass Displays." MRS Bulletin (2002): 881-86. Google Scholar. MRS Bulletin. Web. 2 Mar. 2015.

 LTPS-TFT 장치 개발 
섬네일|유기 발광 다이오드를 구동하는 데 사용되는 LTPS-TFT의 개략도

TFT 자체의 개선 외에도 LTPS의 그래픽 디스플레이에 대한 성공적인 적용은 혁신적인 회로에도 달려 있다. 최근 한 기술은 트랜지스터에서 나오는 전류가 임계 전압과 독립적이어서 균일한 밝기를 생성하는 픽셀 회로를 포함한다.Banger, K. K., Y. Yamashita, K. Mori, R. L. Peterson, T. Leedham, J. Rickard, and H. Sirringhaus. "Low-temperature, High-performance Solution-processed Metal Oxide Thin-film Transistors Formed by a ‘sol–gel on Chip’ Process." Nature Materials (2010): 45–50. Nature Materials. Web. 2 Mar. 2015.Tai, Y.-H., B.-T. Chen, Y.-J. Kuo, C.-C. Tsai, K.-Y. Chiang, Y.-J. Wei, and H.-C. Cheng. "A New Pixel Circuit for Driving Organic Light-Emitting Diode With Low Temperature Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistors." Journal of Display Technology 01.01 (2015): 100-104. IEEE Xplore. Web. 2 Mar. 2015. LTPS-TFT는 고해상도와 대형 패널 수용 능력을 가지고 있어 유기 발광 다이오드 디스플레이를 구동하는 데 일반적으로 사용된다. 그러나 LTPS 구조의 변화는 기존 회로를 사용할 때 신호에 대한 비균일 임계 전압과 비균일 밝도를 초래할 수 있다. 새로운 픽셀 회로는 4개의 n형 TFT, 1개의 p형 TFT, 커패시터 및 이미지 해상도를 제어하는 제어 요소를 포함한다. TFT의 성능 및 미세 리소그래피를 향상시키는 것은 LTPS 능동 매트릭스 유기 발광 다이오드를 발전시키는 데 중요하다.

이러한 여러 중요한 기술은 결정성 박막의 이동도를 최대 13 cm2/Vs까지 끌어올렸으며, 500 ppi 이상의 해상도를 가진 발광 다이오드 및 LCD를 대량 생산하는 데 기여했다.

 특성  비정질 실리콘  다결정 실리콘 이동도 (cm^2 /(V*s))  0.5  >500 증착 방법  PECVD  ELA 증착 온도  350 °C  600 °C 드라이버 통합  부분적만 가능  System-on-glass 해상도  낮음  >500 ppi 비용  낮음  상대적으로 높음

 LTPO 
저온 다결정 산화물 (LTPO)은 애플이 개발한 유기 발광 다이오드 백플레인 기술의 일종으로, LTPS TFT와 산화물 TFT (IGZO, 또는 IGZO)를 결합한 것이다. LTPO에서 스위칭 회로는 LTPS를 사용하는 반면 구동 TFT는 IGZO 재료를 사용한다. LTPO는 산화물 게이트 절연의 낮은 누설로 인해 전력을 더 효율적으로 사용할 수 있게 한다. LTPO 디스플레이는 향상된 배터리 수명으로 알려져 있으며 일부 스마트폰, 스마트워치 및 기타 모바일 장치에서 찾아볼 수 있다.

LTPO의 핵심 기술은 애플이 개발했지만, 삼성디스플레이도 LTPS TFT와 하이브리드 산화물 및 다결정 실리콘(HOP)의 조합을 사용하여 LTPO 능동형 유기 발광 다이오드 패널에 대한 독점 기술을 보유하고 있다.

 같이 보기 
 IGZO
 발광 다이오드
 단결정 실리콘
 태양광 발전
 웨이퍼

 각주 

분류:전자공학 제조
분류:결정
분류:액정 디스플레이