디스플레이 재료 [8] Poly-Crystalline Si (p-Si)

2025.10.25 - [학교 수업/디스플레이재료] - 디스플레이 재료 [7] TFT-LCD (2)

 

 

이번시간에는 다결정 실리콘을 만드는 과정과 그 물리적 원리에 다뤄보자.

 

1. a-Si로부터의 결정질화

앞서 공부했던 a-Si:H는 전자 이동도가 낮고 스위칭 속도가 느려 고해상도의 디스플레이로의 한계가 존재한다. 그래서 더 빠른 TFT를 만들기 위해 a-Si를 레이저로 순간적으로 녹여 p-Si로 바꾸는 공정을 진행하는데 이를 Excimer Laser Annealing이라고 한다.

 

Excimer( = Excited Dimer Laser) 는 2개의 가스(Xe, Cl)가 혼합된 상태의 Laser로 수십 ns로 순간 가열 후 냉각해 다결정화를 한다.

 

 

• 레이저 파장: λ ≈ 308 nm
• 에너지 공급 방식: 펄스 레이저 (수십 ns 동안 강한 에너지) ; 약 2000도
• 결과:
  • glass 기판은 그대로지만 a-Si가 부분 혹은 전체 녹으며 다시 고체화되며 결정립(grain) 생성
  • grain size ≈ 200 – 300 nm 정도 (조건에 따라 달라짐)

 

 

ELA를 하는 모습이다.

 

1-1. a-Si ▶ p-Si 결정화 매커니즘

 

레이저 1샷을 가할 때마다 다음과 같은 과정이 일어난다.

 

① Absorption & Heating	레이저 에너지가 a-Si 표면에 흡수됨	표면 온도 급상승 (~1400 °C)
② Surface Melting	얕은 층부터 녹기 시작	부분 용융 (Partial melting)
③ Explosive Crystallization	순간적 열 폭발 및 냉각 – 핵생성	- 작은 seed 결정 생김 - melting이 일어나기 전 발생하는 표면 결정화로 Laser Energy Density와 무관하다.
④ Primary Melting & Re-solidification	전체 혹은 부분 용융 후 냉각	seed 결정이 성장하여 grains 형성

 

1 샷 이후 a-Si는 p-Si로 바뀌며, grains 크기 ≈ 200–300 nm 정도 형성

 

 

1-2. Laser Energy Density vs. Grain Size

이제 중요한 것은 “레이저 에너지를 얼마나 세게 쏘느냐”로 이 세기에 따라 녹는 양과 결정 크기는 완전히 달라진다. 결정립 사이는 완벽히 연결되어있지 않고 grain boundary가 형성된다. 이 경계에는 dangling bond가 몰려있어 전자의 이동을 방해하는 trap site가 많이 때문에 큰 grain을 만드는 것이 p-Si TFT의 핵심이다.

1-2-1. 영역 1 - Partial Melting

 

• 에너지가 부족해서 a-Si 표면만 녹음
• 아래쪽은 그대로 남기 때문에 seed 결정이 균일하지 않음
• 결정 성장 방향: 수직(Vertical) 위주
  → 작고 불균일한 grain 형성
  → 전자 이동도 낮음, TFT 성능 불균일

 

 

1-2-2. 영역 2 -  Near-Complete Melting (거의 완전 용융)

 

• 에너지가 적당히 커서 a-Si 가 거의 다 녹지만, 완전히 액화되진 않아 seed 결정 조금 남음
• 냉각 시 seed에서 결정이 수평(Lateral) 방향으로 성장
  → 큰 grains (수백 nm) 형성
  → TFT 용으로 가장 좋은 상태 (이동도↑, Vth 안정)

1-2-2. 영역 3 – Complete Melting (완전 용융)

• 에너지가 너무 강해서 a-Si가 완전히 액화
• 기존 seed 결정이 모두 사라짐 → 냉각 시 무작위 핵생성
• 결과: 작은 랜덤 grains, 이동도 감소, 균일성 나쁨