Review paper: Transparent amorphous oxide semiconductor thin film transistor

Abstract

Thin film transistors (TFTs) with oxide semiconductors have drawn great attention in the last few years, especially for large area electronic applications, such as high resolution active matrix liquid crystal displays (AMLCDs) and active matrix organic light-emitting diodes (AMOLEDs), because of their high electron mobility and spatial uniform property. This paper reviews and summarizes recent emerging reports that include potential applications, oxide semiconductor materials, and the impact of the fabrication process on electrical performance. We also address the stability behavior of such devices under bias/illumination stress and critical factors related to reliability, such as the gate insulator, the ambient and the device structure.

This is a preview of subscription content, access via your institution.

References

  1. 1.

    J. Y. Kwon, K. S. Son, J. S. Jung, T. S. Kim, M. K. Ryu, K. B. Park, B. W. Yoo, J. W. Kim, Y. G. Lee, C. Park, S. Y. Lee, and J. M. Kim, IEEE Electron Device Lett. 29, 1309 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. 2.

    K. Nomura, H. Ohta, A. Takagi, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Nature 432, 488 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  3. 3.

    K. Nomura, A. Takagi, T. Kamiya, H. Ohta, M. Hirano, and H. Hosono, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 4303 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. 4.

    http://www.news-korea.co.kr/news/article.html?no=2702 (2006).

  5. 5.

    C. J. Kim, D. Kang, I. Song, J. C. Park, H. Lim, S. Kim, E. Lee, R. Chung, J. C. Lee, and Y. Park, Proc. IEEE International Electron Devices Meeting, p. 11, IEEE Inst. Elec. Electron. Eng. Inc., San Francisco, USA (2006).

    Google Scholar 

  6. 6.

    J. K. Jeong, J. H. Jeong, J. H. Choi, J. S. Im, S. H. Kim, H. W. Yang, K. N. Kang, K. S. Kim, T. K. Ahn, H.-J. Chung, M. Kim, B. S. Gu, J.-S. Park, Y.-G. Mo, H. D. Kim, and H. K. Chung, Proc. Soc. Inform. Display Int. Symp. Dig. Tech., p. 1, The Society For Information Display, Los Angeles, USA (2008).

    Google Scholar 

  7. 7.

    Y. G. Mo, M. Kim, C. K. Kang, J. H. Jeong, Y. S. Park, C. G. Choi, H. D. Kim, and S. S. Kim, Proc. Soc. Inform. Display Int. Symp. Dig. Tech., p. 1037, The Society for Information Display, Seattle, USA (2010).

    Google Scholar 

  8. 8.

    W. Lim, J. H. Jang, S.-H. Kim, D. P. Norton, V Crasiun, S. J. Pearton, F. Ren, and H. Shen, Appl. Phys. Lett. 93, 082102 (2008).

    Article  Google Scholar 

  9. 9.

    J. Sun, D. A. Mourey, D. Zhao, and T. N. Jackson, J. Electron. Mater. 37, 755 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. 10.

    M. Ofuji, K. Abe, H. Shimizu, N. Kaji, R. Hayashi, M. Sano, H. Kumomi, K. Nomura, T. Kamiya, and H. Hosono, IEEE Electron Device Lett. 28, 273 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. 11.

    H. Yin, S. Kim, H. Lim, Y. Min, C. J. Kim, I. Song, J. Park, S.-W. Kim, A. Tikhonovsky, J. Hyun, and Y. Park, IEEE Trans. Electron Dev. 55, 2071 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. 12.

    P.-T. Liu, Y.-T. Chou, and L.-F. Teng, Appl. Phys. Lett. 94, 242101 (2009).

    Article  Google Scholar 

  13. 13.

    T. Minami, Semicond. Sci. Technol. 20, S35 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. 14.

    R. B. H. Tahar, T. Ban, Y. Ohya, and Y. Takahashi, J. Appl. Phys. 83, 2631 (1998).

    Article  Google Scholar 

  15. 15.

    K. Ellmer, J. Phys. D: Appl. Phys. 34, 3097 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. 16.

    C. G. Van de Walle, Phys. Rev. Lett. 85, 1012 (2000).

    Article  Google Scholar 

  17. 17.

    J. R. Bellingham, W. A. Phillips, and C. J. Adkins, Thin Solid Films 195, 23 (1991).

    Article  CAS  Google Scholar 

  18. 18.

    H. Hosono, J. Non.Cryst. Solids 352, 851 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. 19.

    K. Nomura, H. Ohta, K. Ueda, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Science 300, 1269 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  20. 20.

    T. Minami, T. Kakumu, and S. Takata, J. Vac. Sci. Technol. A 14, 1706 (1996).

    Article  Google Scholar 

  21. 21.

    B. Yaglioglu, H. Y. Yeom, R. Beresford, and D. C. Paine, Appl. Phys. Lett. 89, 062103 (2006).

    Article  Google Scholar 

  22. 22.

    J.-I. Song, J.-S. Park, H. Kim, Y.-W. Heo, J.-H. Lee, J.-J. Kim, G. M. Kim, and B. D. Choi, Appl. Phys. Lett. 90, 022106 (2007).

    Article  Google Scholar 

  23. 23.

    K. K. Banger, Y. Yamashita, K. Mori, R. L. Peterson, T. Leedham, J. Rickard, and H. Sirringhaus, Nat. Mater. 10, 45 (2011).

    Article  CAS  Google Scholar 

  24. 24.

    B. Yaglioglu, Y.-J. Huang, H.-Y. Yeom, and D. C. Paine, Thin Solid Films 496, 89 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  25. 25.

    N. Itagaki, T. Iwasaki, H. Kumomi, T. Den, K. Nomura, T. Kamiya, and H. Hosono, Phys. Stat. Sol. A 205, 1915 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  26. 26.

    M. P. Taylor, D. W. Readey, M. F. A. M. van Hest, C. W. Teplin, J. L. Alleman, M. S. Dabney, L. M. Gedvilas, B. M. Keyes, B. To, J. D. Perkins, and D. S. Ginley, Adv. Funct. Mater. 18, 3169 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  27. 27.

    T. Kamiya, K. Nomura, and H. Hosono, J. Display Technol. 5, 162 (2009).

    Article  Google Scholar 

  28. 28.

    C.-J. Kim, S. Kim, J.-H. Lee, J.-S. Park, S. Kim, J. Park, E. Lee, J. Lee, Y. Park, J. H. Kim, S. T. Shin, and U.-I. Chung, Appl. Phys. Lett. 95, 252103 (2009).

    Article  Google Scholar 

  29. 29.

    J.-S. Park, K. S. Kim, Y.-G. Park, Y.-G. Mo, H. D. Kim, and J. K. Jeong, Adv. Mater. 21, 329 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. 30.

    G. H. Kim, W. H. Jeong, B. D. Ahn, H. S. Shin, H. J. Kim, H. J. Kim, M.-K. Ryu, K.-B. Park, J.-B. Seon, and S.-Y. Lee, Appl. Phys. Lett. 96, 163506 (2010).

    Article  Google Scholar 

  31. 31.

    D. N. Kim, D. L. Kim, G. H. Kim, S. J. Kim, Y. S. Rim, W. H. Jeong, and H. J. Kim, Appl. Phys. Lett. 97, 192105 (2010).

    Article  Google Scholar 

  32. 32.

    Y. Choi, G. H. Kim, W. H. Jeong, J. H. Bae, H. J. Kim, J.-M. Hong, and J.-W. Yu, Appl. Phys. Lett. 97, 162102 (2010).

    Article  Google Scholar 

  33. 33.

    E. Chong, S. H. Kim, and S. Y. Lee, Appl. Phys. Lett. 97, 252112 (2010).

    Article  Google Scholar 

  34. 34.

    H. Q. Chiang, J. F. Wager, and R. L. Hoffman, Appl. Phys. Lett. 86, 013503 (2005).

    Article  Google Scholar 

  35. 35.

    W. B. Jackson, R. L. Hoffman, and G. S. Herman, Appl. Phys. Lett. 87, 193503 (2005).

    Article  Google Scholar 

  36. 36.

    D.-H. Cho, S. Yang, C. Byun, J. Shin, M. K. Ryu, S.-H. K. Park, C.-S. Hwang, S. M. Chung, W.-S. Cheong, S. M. Yoon and H.-Y. Chu, Appl. Phys. Lett. 93, 142111 (2008).

    Article  Google Scholar 

  37. 37.

    Y. S. Rim, D. L. Kim, W. H. Jeong and H. J. Kim, Appl. Phys. Lett. 97, 233502 (2010).

    Article  Google Scholar 

  38. 38.

    J.-Y. Kwon, K. S. Son, J. S. Jung, K.-H. Lee, J. S. Park, T. S. Sim, K. H. Ji, R. Choi, J. K. Jeong, B. Koo, and S. Lee, Electrochem. Solid-State Lett. 13, H213 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  39. 39.

    S.-H. K. Park, C.-S. Hwang, M. Ryu, S. Yang, C. Byun, J. Shin, J.-I. Lee, K. Lee, M. S. Oh and S. Im, Adv. Mater. 21, 678 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. 40.

    K.-S. Son, J.-S. Jung, K.-H. Lee, T.-S. Kim, J.-S. Park, K. C. Park, J.-Y. Kwon, B. Koo, and S.-Y. Lee, IEEE Electron Device Lett. 31, 312 (2010).

    Google Scholar 

  41. 41.

    K.-S. Son, T.-S. Kim, J.-S. Jung, M.-K. Ryu, K.-B. Park, B.-W. Yoo, K. C. Park, J.-Y. Kwon, S.-Y. Lee, and J.-M. Kim, Electrochem. Solid-State Lett. 12, H26 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  42. 42.

    P. F. Carcia, R. S. McLean, M. H. Reilly, M. K. Crawford, E. N. Blanchard, A. Z. Kattamis, and S. Wagner, J. Appl. Phys. 102, 074512 (2007).

    Article  Google Scholar 

  43. 43.

    K. Nomura, H. Ohta, K. Ueda, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Microelectr. Eng. 72, 294 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  44. 44.

    J.-Y. Kwon, J. S. Jung, K. S. Son, K.-H. Lee, J. S. Park, T. S. Kim, J.-S. Park, R. Choi, J. K. Jeong, B. Koo, and S. Y. Lee, Appl. Phys. Lett. 97, 183503 (2010).

    Article  Google Scholar 

  45. 45.

    J.-S. Park, J. K. Jeong, Y.-G. Mo, and S. Kim, Appl. Phys. Lett. 94, 042105 (2009).

    Article  Google Scholar 

  46. 46.

    M. M. De Souza, S. Jejurikar, and K. P. Adhi, Appl. Phys. Lett. 92, 093509 (2008).

    Article  Google Scholar 

  47. 47.

    J. B. Kim, C. Fuentes-Hernandez, and B. Kippelen, Appl. Phys. Lett. 93, 242111 (2008).

    Article  Google Scholar 

  48. 48.

    N. C. Su, S. J. Wang, and A. Chin, Electrochem. Solid-State Lett. 13, H8 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  49. 49.

    Y. Shimura, K. Nomura, H. Yanagi, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Thin Solid Films 516, 5899 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. 50.

    W.-S. Kim, Y.-K. Moon, S. Lee, B.-W. Kang, T.-S. Kwon, K.-T. Kim, and J.-W. Park, Phys. Status Solidi RRL 3, 239 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  51. 51.

    R. B. M. Cross and M. M. DeSouza, Appl. Phys. Lett. 89, 263513 (2006).

    Article  Google Scholar 

  52. 52.

    J.-M. Lee, I.-T. Cho, J.-H. Lee, and H.-I. Kwon, Appl. Phys. Lett. 93, 093504 (2008).

    Article  Google Scholar 

  53. 53.

    M. Fujii, H. Yano, T. Hatayama, Y. Uraoka, T. Fuyuki, J. S. Jung, and J. Y. Kwon, Jpn. J. Appl. Phys. 47, 6236 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  54. 54.

    M. E. Lopes, H. L. Gomes, M. C. R. Medeiros, P. Barquinha, L. Pereira, E. Fortunato, R. Martins, and I. Feffeira, Appl. Phys. Lett. 95, 063502 (2009).

    Article  Google Scholar 

  55. 55.

    R. Hoffman, T. Emery, B. Yeh, T. Koch, and W. Jackson, Proc. Soc. Inform. Display Int. Symp. Dig. Tech., p. 288, The Society for Information Display, Seattle, USA (2010).

    Google Scholar 

  56. 56.

    J. Triska, J. F. Conley, Jr., R. Presley, and J. F. Wager, J. Vac. Sci. Technol. B 28, C5 (2010).

    Article  Google Scholar 

  57. 57.

    S. J. Seo, C. G. Choi, Y. H. Hwang, and B. S. Bae, J. Phys. D: Appl. Phys. 42, 035106 (2009).

    Article  Google Scholar 

  58. 58.

    K. Nomura, T. Kamiya, M. Hirano, and H. Hosono, Appl. Phys. Lett. 95, 013502 (2009).

    Article  Google Scholar 

  59. 59.

    K. Hosino, D. Hong, H. Q. Chiang, and J. F. Wager, IEEE Trans. Electron. Dev. 56, 1365 (2009).

    Article  Google Scholar 

  60. 60.

    T. Riedl, P. Gorrn, P. Holzer, and W. Kowalsky, Phys. Stat. Sol. (RRL) 1, 175 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  61. 61.

    M. S. Oh, K. Lee, J. H. Song, B. H. Lee, M. M. Sung, D. K. Hwang, and S. Im, J. Electrochem. Soc. 155, H1009 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  62. 62.

    M. J. Powell, C. van Berkel, I. D. French, and D. H. Nichols, Appl. Phys. Lett. 51, 1242 (1987).

    Article  CAS  Google Scholar 

  63. 63.

    M. Powell, IEEE Trans. Electron. Dev. 36, 2753 (1989).

    Article  CAS  Google Scholar 

  64. 64.

    A. J. Flewitt, J. D. Dutson, P. Beecher, D. Paul, S. J. Wakeham, M. E. Vickers, C. Ducati, S. P. Speakman, W. I. Milne, and M. J. Thwaites, Semicond. Sci. Technol. 24, 085002 (2009).

    Article  Google Scholar 

  65. 65.

    A. Suresh and J. F. Muth, Appl. Phys. Lett. 92, 033502 (2008).

    Article  Google Scholar 

  66. 66.

    K. H. Lee, J. S. Jung, K. S. Son, J. S. Park, T. S. Kim, R. Choi, J. K. Jeong, J. Y. Kwon, B. Koo, and S. Lee, Appl. Phys. Lett. 95, 232106 (2009).

    Article  Google Scholar 

  67. 67.

    H.-S. Seo, J.-U. Bae, D.-H. Kim, Y. J. Park, C.-D. Kim, I. B. Kang, I.-J. Chung, J.-H. Choi, and J.-M. Myong, Electrochem. Solid-State Lett. 12, H348 (2009).

    Article  CAS  Google Scholar 

  68. 68.

    T. Z. Feng, K. Abe, H. Kumomi, and J. Kanicki, J. Display Technol. 5, 452 (2009).

    Article  Google Scholar 

  69. 69.

    J.-H. Shin, J.-S. Lee, C.-S. Hwang, S.-H. K. Park, W.-S. Cheong, M. Ryu, C.-W. Byun, J.-I. Lee, and H. Y. Chu, ETRI J. 31, 62 (2009).

    Article  Google Scholar 

  70. 70.

    K. H. Ji, J.-I. Kim, Y.-G. Mo, J. H. Jeong, S. Yang, C.-S. Hwang, S.-H. K. Park, M.-K. Ryu, S.-Y. Lee, and J. K. Jeong, IEEE Electron Device Lett. 31, 1404 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  71. 71.

    J. S. Jung, K. S. Son, K.-H. Lee, J. S. Park, T. S. Kim, J.-Y. Kwon, K.-B. Chung, J.-S. Park, B. Koo and S. Lee, Appl. Phys. Lett. 96, 193506 (2010).

    Article  Google Scholar 

  72. 72.

    J. K. Jeong, H. W. Yang, J. H. Jeong, Y. G. Mo and H. D. Kim, Appl. Phys. Lett. 93, 123508 (2008).

    Article  Google Scholar 

  73. 73.

    P. T. Liu, Y. T. Chou and L. F. Teng, Appl. Phys. Lett. 95, 233504 (2009).

    Article  Google Scholar 

  74. 74.

    J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, K.-H. Lee, W.-J. Maeng, H.-S. Kim, E. S. Kim, K.-B. Park, J.-B. Seon, W. Choi, M. K. Ryu and S. Y. Lee, Appl. Phys. Lett. 96, 262109 (2010).

    Article  Google Scholar 

  75. 75.

    J. S. Jung, K.-H. Lee, K. S. Son, J. S. Park, T. S. Kim, J. H. Seo, J.-H. Jeon, M.-P. Hong, J.-Y. Kwon, B. Koo and S. Lee, Electrochem. Solid-State Lett. 13, H376 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  76. 76.

    K.-S. Son, J.-S. Jung, K.-H. Lee, T.-S. Kim, J.-S. Park, K.C. Park, J.-Y. Kwon, B. Koo and S.-Y. Lee, IEEE Electron Device Lett. 31, 812 (2010).

    Article  CAS  Google Scholar 

  77. 77.

    A. Kolmakov and M. Moskovits, Annu. Rev. Mater. Res. 34, 151 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  78. 78.

    Z. Fan, D. Wang, P. C. Chang, W. Y. Tseng and J. G. Lu, Appl. Phys. Lett. 85, 5923 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  79. 79.

    J. F. Conley, Jr., L. Stecher and Y. Ono, Appl. Phys. Lett. 87, 223114 (2005).

    Article  Google Scholar 

  80. 80.

    J. S. Park, T. S. Kim, K. S. Son, K.-H. Lee, J. S. Jung, W.-J. Maeng, H.-S. Kim, E. S. Kim, K.-B. Park, J.-B. Seon, J.-Y. Kwon, M. K. Ryu and S. Lee, IEEE Electron Device Lett. 31, 1248 (2010).

    CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Ki-Bum Kim.

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Cite this article

Kwon, JY., Lee, DJ. & Kim, KB. Review paper: Transparent amorphous oxide semiconductor thin film transistor. Electron. Mater. Lett. 7, 1–11 (2011). https://doi.org/10.1007/s13391-011-0301-x

Download citation

Keywords

  • Oxide semiconductor
  • thin film transistor
  • transparent
  • reliability