In this thesis, device reliabilities of a-InGaZnO (a-IGZO) thin-film transistor (TFT) and low temperature polycrystalline silicon (LTPS) TFT have been studied, which are considered as strong candidates for the next generation backplanes for flexible active matrix organic light emitting display (AMOLED) applications. Among the requirements for flexible AMOLED, reliability of TFT backplane under high power operation condition and its substrate dependence are main topic in this study, and corresponding degradation models are proposed to explain the encountered abnormal degradation phenomena. Regarding the TFT reliability under high power operation, it showed abnormal degradation phenomena for different type of TFT devices. Firstly, bottom gate a-IGZO TFT fabricated on a glass substrate displayed negative shift at the early stage of high power bias stress duration, and then positive shift in the long run. Such complicated abnormal degradation phenomenon was found to be related with self-heating effect combined with hot carrier effect due to the intrinsic low thermal conductivity of a-IGZO active layer and its three terminal device structure with floating body. Secondly, p-type LTPS TFT fabricated on a polyimide (PI) flexible substrate showed abnormal output characteristics, where negative output conductance regime was observed before kink appeared in the output curve sweep for large width and large area TFTs. Such complicated output characteristics is found to be strongly related with even lower thermal conductivity of PI layer comparing with that of glass substrate, so self-heating effect combined with hot carrier effect is responsible for the complicated output characteristics. For the study of substrate dependence, a coplanar top gate a-IGZO TFT was fabricated on a PI substrate and on a glass substrate as a control. In the comparison of positive bias stress (PBS), the device on a PI substrate showed abnormal negative shift at the early stage of stress period but the device on a glass substrate, which is supposed to be related with dipole effect in the PI layer; dipole induced electric field along with the gate fringe field might work as back bias so as to lower the source/channel barrier resulted in Vth lowering, i.e., negative shift. To avoid such an abnormal phenomenon, a novel structure having electric field shielding layer was proposed with a related degradation model. The study of device reliability dependence on device type, structure, and substrate with proposed degradation models would give some insight in designing display backplane with improved device reliability, and in overcoming obstacles might be encountered at the entrance of the new era of flexible display.
본 연구에서는 차세대 능동형 유기발광 다이오드를 기반으로 한 유연 디스플레이 적용을 위해 하부기판소자 후보로 고려될 수 있는 비정질 산화물 반도체 (a-IGZO) 및 저온다결정 실리콘 (LTPS) 박막 트렌지스터 (TFT)의 소자 신뢰성을 평가하였다. 능동형 유기발광 다이오드 응용을 위한 요구사항 중 고전력 구동 조건에서의 박막 트랜지스터 소자의 신뢰성과 기판 의존성이 주요 테마로 연구되었다. 고전력 구동 조건하에서의 박막 트랜지스터 소자의 신뢰성에 대해서, 비정상적인 열화 현상들이 다양한 소자들에서 확인되었다. 첫째, 유리기판에 제작된 하부 게이트 a-IGZO TFT 경우 고전력 구동 환경하에서 초기에 (-) 방향으로 문턱전압 (Vth) 변동이 관찰되다가, 궁극에는 (+) 방향의 Vth 변동이 나타났다. 그러한 복잡한 열화 현상은 a-IGZO 층이 가지는 낮은 열전도도와 floating body 구조 때문에 발생하는 자기 열발생 (self-heating) 및 hot carrier 효과의 조합에 기인한 것으로 설명되었다. 둘째, polyimide (PI) 기판에 제작된 p 형 LTPS 소자는 비정상적인 output 특성을 보였는데, 큰 width 및 면적을 가지는 소자에서 kink 현상이 나타나기 전 (-) 전도 (conductance) 영역이 확인되었다. 그런 복잡한 output 특성은 유리기판보다 훨씬 낮은 열전도도를 가지는 PI 기판과 관련이 있고, self-heating 및 hot carrier effect의 조합으로 설명이 가능할 수 있었다. 기판 의존성 연구를 위해 coplanar top gate a-IGZO TFT가 PI 기판 및 유리 기판 위에 제작되었다. PBS 환경에서, 유리 기판에 제작된 소자와 달리 PI 기판상에 제작된 소자는 비정상적인 Vth (-) shift 결과를 보였는데, PI 층의 쌍극자 (dipole) 효과에 의한 것으로 이해된다; dipole에 의해 유도된 전기장이 gate fringe field에 나란히 배열되면서 back bias로 작용하게 되고, source/channel 장벽을 낮추어 Vth를 낮추는, 즉 (-) shift 시키게 된다. 그러한 비정상적인 현상을 회피하기 위해, 전기장 차폐층을 가지는 신구조가 제안되었고 관련한 열화모델이 제안되었다. 소자 type, 구조, 기판에 따른 신뢰성의 의존성과 더불어 관련한 열화 모델이 제안되었는데, 이러한 연구들이 소자 신뢰성 향상을 수반하는 display backplane 설계에 통찰력을 주고 나아가 새로운 유연 디스플레이 시대를 보다 활짝 여는데 도움을 줄 수 있기를 기대해본다.