تأثير معلمات الأنوديس على طبقة أكسيد الألومنيوم العازلة من الترانزستورات رقيقة الفيلم
Summary
تتنوع معلمات الأنويد لنمو الطبقة العازلة ثنائية أكسيد الألومنيوم من الترانزستورات الرقيقة (TFTs) من أكسيد الزنك لتحديد الآثار على استجابات المعلمة الكهربائية. يتم تطبيق تحليل التباين (ANOVA) على تصميم Plackett-Burman للتجارب (DOE) لتحديد ظروف التصنيع التي تؤدي إلى تحسين أداء الجهاز.
Abstract
أكسيد الألومنيوم (Al2O3)هو مادة عازلة ثابتة منخفضة التكلفة وسهلة المعالجة وعازلة عالية مناسبة بشكل خاص للاستخدام كطبقة عازلة من الترانزستورات رقيقة الأفلام (TFTs). نمو طبقات أكسيد الألومنيوم من الأنودلة من أفلام الألومنيوم المعدني مفيد للغاية بالمقارنة مع العمليات المتطورة مثل ترسب الطبقة الذرية (ALD) أو طرق الترسيب التي تتطلب درجات حرارة عالية نسبيا (فوق 300 درجة مئوية) مثل الاحتراق المائي أو الانحلال الحراري بالرش. ومع ذلك ، فإن الخصائص الكهربائية للترانزستورات تعتمد بشكل كبير على وجود عيوب وحالات موضعية في واجهة أشباه الموصلات / العازلة ، والتي تتأثر بشدة بمعلمات التصنيع للطبقة العازلة الممغنطة. لتحديد كيفية تأثير العديد من معلمات التصنيع على أداء الجهاز دون إجراء جميع العوامل المتعددة الممكنة ، استخدمنا تحليلًا معامليًا مخفضًا استنادًا إلى تصميم Plackett-Burman للتجارب (DOE). اختيار هذا وزارة التجارة يسمح باستخدام فقط 12 أشواط تجريبية من مجموعات من العوامل (بدلا من جميع الاحتمالات 256) للحصول على أداء الجهاز الأمثل. ترتيب العوامل حسب التأثير على استجابات الجهاز مثل التنقل TFT ممكن من خلال تطبيق تحليل التباين (ANOVA) على النتائج التي تم الحصول عليها.
Introduction
وتمثل الإلكترونيات المرنة والمطبوعة والكبيرة سوقاناشئة من المتوقع أن تجتذب استثمارات ببلايين الدولارات في السنوات المقبلة. لتحقيق متطلبات الأجهزة للجيل الجديد من الهواتف الذكية، وشاشات الألواح المسطحة وأجهزة إنترنت الأشياء (IoT) ، هناك طلب كبير على المواد خفيفة الوزن ومرنة ومع الإرسال البصري في الطيف المرئي دون التضحية بالسرعة والأداء العالي. نقطة رئيسية هي العثور على بدائل للسيليكون غير متبلور (A-Si) كمادة نشطة من الترانزستورات رقيقة الفيلم (TFTs) المستخدمة في دوائر محرك الأقراص من معظم يعرض الحالية المصفوفة النشطة (AMDs). a-Si لديه توافق منخفض لركائز مرنة وشفافة، ويعرض قيودا على تجهيز منطقة كبيرة، ولديه حركة الناقل من حوالي 1 سم2• V-1•s-1، والتي لا يمكن أن تلبي احتياجات القرار ومعدل التحديث لشاشات الجيل القادم.-1 أكاسيد المعادن شبه التوصيل (SMOs) مثل أكسيد الزنك (ZnO)1و2و3و أكسيد الزنك الإنديوم (IZO)4و5 وأكسيد الزنك الغاليوم الإنديوم (IGZO)6،7 مرشحون جيدون لاستبدال A-Si كطبقة نشطة من TFTs لأنها شفافة للغاية في الطيف المرئي ، متوافقة مع ركائز مرنة وترسب منطقة كبيرة ويمكن تحقيق حركات يصل إلى 80 سم2• V-1• s-1. وعلاوة على ذلك، يمكن معالجة SMOs في مجموعة متنوعة من الطرق: RF sputtering6، ترسب الليزر نبض (PLD)8،ترسب بخار الكيميائية (CVD)9،ترسب الطبقة الذرية (ALD)10،تدور طلاء11،الحبر النفاث الطباعة12 ورذاذ الانحلال الحراري13.
ومع ذلك، لا يزال هناك حاجة إلى التغلب على تحديات قليلة مثل السيطرة على العيوب الجوهرية، ومحفزات عدم الاستقرار في الهواء/الأشعة فوق البنفسجية، وتشكيل وجود حالات محلية لأشباه الموصلات/الوصلات العازلة لتمكين التصنيع على نطاق واسع للدوائر التي تتألف من TFTs القائمة على SMO. من بين الخصائص المطلوبة من TFTs عالية الأداء، يمكن للمرء أن يذكر انخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض الجهد عملية، وانخفاض تيار تسرب البوابة، والاستقرار الجهد عتبة وتشغيل تردد النطاق العريض، والتي تعتمد اعتمادا كبيرا على عازلة البوابة (وواجهة أشباه الموصلات / عازل كذلك). في هذا المعنى، عالية- а المواد عازلة14،15،16 مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها توفر قيما كبيرة من الضخامة لكل وحدة منطقة وتيارات التسرب منخفضة باستخدام أفلام رقيقة نسبيا. أكسيد الألومنيوم (Al2O3)هو مادة واعدة للطبقة عازلة TFT لأنه يقدم ثابت عازلة عالية (من 8 حتى 12)، قوة عازلة عالية، مقاومة كهربائية عالية، استقرار حراري عال ويمكن معالجتها كأفلام رقيقة للغاية وموحدة من قبل عدة تقنيات مختلفة ترسب / النمو15،17،18،19،20،21. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الألومنيوم هو ثالث أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض، مما يعني أنه متاح بسهولة ورخيص نسبيا بالمقارنة مع العناصر الأخرى المستخدمة لإنتاج العازلة عالية الك.
على الرغم من أن ترسب / نمو Al2O3 رقيقة (أقل من 100 نانومتر) يمكن تحقيق الأفلام بنجاح من خلال تقنيات مثل RF magnetron sputtering ، ترسب البخار الكيميائي (CVD) ، ترسب الطبقة الذرية (ALD) ، والنمو عن طريق الأنوثة من طبقة معدنية رقيقة Al17،18،21،22،23،24،25،26 مثير للاهتمام بشكل خاص للإلكترونيات المرنة بسبب بساطتها ، وانخفاض تكلفتها ، وانخفاض درجة الحرارة ، والتحكم في سمك الفيلم في مقياس نانومتري. إلى جانب ذلك ، فإن الأنودجية لديها إمكانات كبيرة لمعالجة لفة إلى لفة (R2R) ، والتي يمكن تكييفها بسهولة من تقنيات المعالجة المستخدمة بالفعل على المستوى الصناعي ، مما يسمح بزيادة التصنيع بسرعة.
يمكن وصف نمو Al2O3 عن طريق الأنويد من Al المعدنية من خلال المعادلات التالية
2آل + 3 / 2 02 → آل2O3 (1)
2آل + 3ح2O → Al2O3 + 3H2 (2)
حيث يتم توفير الأكسجين عن طريق الأكسجين المذاب في محلول المنحل بالكهرباء أو من قبل الجزيئات الممتزة على سطح الفيلم ، في حين أن جزيئات الماء متوفرة على الفور من محلول المنحل بالكهرباء. الخشونة الفيلم أنويد (الذي يؤثر على التنقل TFT بسبب تشتت الناقل في واجهة أشباه الموصلات / dielectric) وكثافة الدول المترجمة في واجهة أشباه الموصلات / dielectric (الذي يؤثر على الجهد عتبة TFT وhysteresis الكهربائية) تعتمد بشدة على معلمات عملية الأنويد، على سبيل المثال لا الحصر: محتوى المياه، ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة من المنحل بالكهرباء24،27. يمكن أن تؤثر العوامل الأخرى المتعلقة بترسب طبقة Al (مثل معدل التبخر وسمك المعدن) أو عمليات ما بعد الأنود (مثل التأني) أيضًا على الأداء الكهربائي لTFTs المصنعة. ويمكن دراسة أثر هذه العوامل المتعددة على بارامترات الاستجابة عن طريق تغيير كل عامل على حدة مع الإبقاء على جميع العوامل الأخرى ثابتة، وهي مهمة تستغرق وقتا طويلا للغاية وغير فعالة. تصميم التجارب (DOE)، من ناحية أخرى، هو طريقة إحصائية تقوم على الاختلاف المتزامن للمعلمات المتعددة، مما يسمح بتحديد أهم العوامل على استجابة أداء النظام / الجهاز باستخدام عدد مخفض نسبيا من التجارب28.
في الآونة الأخيرة، استخدمنا تحليل متعدد المتغيرات على أساس Plackett-بورمان29 وزارة العمل لتحليل آثار Al2O3 معلمات الأنوتد على أداء ZNO TFTs18. تم استخدام النتائج للعثور على أهم العوامل للعديد من معلمات الاستجابة المختلفة وطبقت على تحسين أداء الجهاز تغيير المعلمات فقط المتعلقة بعملية الأنوتد للطبقة العازلة.
يقدم العمل الحالي البروتوكول الكامل لتصنيع TFTs باستخدام أفلام Al2O3 المنفّصة كـ dielectrics البوابة ، بالإضافة إلى وصف مفصل لدراسة تأثير معلمات الأنوتد المتعددة على الأداء الكهربائي للجهاز باستخدام Plackett-Burman DOE. يتم تحديد أهمية الآثار على معلمات استجابة TFT مثل تنقل الناقل من خلال إجراء تحليل التباين (ANOVA) للنتائج التي تم الحصول عليها من التجارب.
Protocol
Representative Results
Discussion
عملية الأنويد المستخدمة للحصول على عازلة لها تأثير قوي على أداء TFTs ملفقة، والحفاظ على ثابت جميع المعلمات الهندسية ومعلمات التصنيع من النشطين. بالنسبة للتنقل TFT ، الذي يعد أحد أهم معلمات الأداء لTFTs ، يمكن أن يختلف أكثر من 2 أوامر من الحجم عن طريق تغيير عوامل التصنيع في النطاق الذي ينص عليه ا?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف المؤلفون بالدعم المالي المقدم من مؤسسة ساو باولو للأبحاث – FAPESP – البرازيل (المنح 19/05620-3، 19/08019-9، 19/01671-2، 16/03484-7 و 14/13904-8) وبرنامج التعاون البحثي صندوق نيوتن من الأكاديمية الملكية للهندسة. ويعترف المؤلفون أيضاً بالدعم التقني المقدم من مجموعة ب. ف. دا سيلفا، وجي بي براغا، وجي بي كانتوريا، وجي آر دي ليما، وجي أ. دي ليما سبرينهو، ومجموعة البروفيسور مارسيلو دي كارفالو بوربا (IGCE/UNESP) لتوفير معدات التصوير.
Materials
| Acetone | LabSynth | A1017 | ACS reagent grade |
| Aluminum (Al) Wire Evaporation | Kurt J. Lesker Company | EVMAL40060 | 1.5 mm (0.060") Dia.; 1lb; 99.99% |
| Ammonium hydroxide solution | Sigma Aldrich | 338818 | ACS reagent, 28.0-30.0% NH3 basis |
| Chemoface – Software to set a design of experiment (DOE) | Federal University of Lavras (UFLA), Brazil | Free software developed by Federal University of Lavras (UFLA), Brazil – http://www.ufla.br/chemoface/ | |
| Cleaning detergent | Sigma Aldrich | Alconox | Alkaline detergent for substrate cleaning |
| Ethylene glycol | Sigma Aldrich | 102466 | ReagentPlus, ≥99% |
| Isopropanol | LabSynth | A1078 | ACS reagent grade |
| Glass substrates | Sigma Aldrich | CLS294775X50 | Corning microscope slides, plain |
| L-(+)-Tartaric acid | Sigma Aldrich | T109 | ≥99.5% |
| Mechanical shadow mask for deposition of the sputtered ZnO active layer | Lasertools, Brazil | custom mask | 10 mm x 10 mm square. |
| Mechanical shadow mask for TFT gate electrode | Lasertools, Brazil | custom mask | 25 mm long stripe, 3 mm wide. |
| Mechanical shadow mask for TFT source/drain electrodes | Lasertools, Brazil | custom mask | 100 µm stripes, separated by 100 µm gap, overlapping of 5 mm |
| Plasma cleaner | MTI | PDC-32G | Campact plasma cleaner with vacuum pump |
| Sputter coating system | HHV | Auto 500 | RF sputtering system with thickness and deposition rate control |
| Stiring plate | Sun Valley | MS300 | Stiring plate with heating control |
| Thermal evaporator | HHV | Auto 306 | it has a high precision sensor for measure the thickness and rate of deposition of thin films |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2410 | Keithley model 2410 or similar/for anodization process |
| Two-channel source-measuring unit | Keithley | 2612B | Dual channel source-measure unit (SMU) for TFT measurements |
| Ultrasonic bath | Soni-tech | Soni-top 402A | Ultrasonic bath with heating control |
| Zinc Oxide (ZnO) Sputtering Targets | Kurt J. Lesker Company | EJTZNOX304A3 | 3.0" Dia. x 0.250" Thick; 99.9% |
Riferimenti
- Fortunato, E. M. C., et al. Fully Transparent ZnO Thin-Film Transistor Produced at Room Temperature. Advanced Materials. 17 (5), 590-594 (2005).
- Fortunato, E. M. C., et al. Wide-bandgap high-mobility ZnO thin-film transistors produced at room temperature. Applied Physics Letters. 85 (13), 2541-2543 (2004).
- Nomura, K., et al. Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor. Science. 300 (5623), 1269-1272 (2003).
- Noviyana, I., et al. High Mobility Thin Film Transistors Based on Amorphous Indium Zinc Tin Oxide. Materials. 10 (7), (2017).
- Nomura, K., et al. Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors. Japanese Journal of Applied Physics. 45 (5), 4303-4308 (2006).
- Kamiya, T., Nomura, K., Hosono, H. Present status of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors. Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4), 044305 (2010).
- Lin, C. I., Fang, Y. K., Chang, W. C. The IGZO fully transparent oxide thin film transistor on glass substrate. International Journal of Nanotechnology. 12, 3 (2015).
- Craciun, V., et al. Optical properties of amorphous indium zinc oxide thin films synthesized by pulsed laser deposition. Applied Surface Science. 306, 52-55 (2014).
- Suh, S., Hoffman, D. M. A new metal-organic precursor for the low-temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition of zinc oxide. Journal of Materials Science Letters. 8, 789-791 (1999).
- Lin, Y. -. Y., Hsu, C. -. C., Tseng, M. -. H., Shyue, J. -. J., Tsai, F. -. Y. Stable and High-Performance Flexible ZnO Thin-Film Transistors by Atomic Layer Deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (40), 22610-22617 (2015).
- Walker, D. E., et al. High mobility indium zinc oxide thin film field-effect transistors by semiconductor layer engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 4 (12), 6835-6841 (2012).
- Meyers, S. T., et al. Aqueous Inorganic Inks for Low-Temperature Fabrication of ZnO TFTs. Journal of the American Chemical Society. 130 (51), 17603-17609 (2008).
- Krunks, M., Mellikov, E. Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method. Thin Solid Films. 270 (1-2), 33-36 (1995).
- Adamopoulos, G., Thomas, S., Bradley, D. D. C., McLachlan, M. A., Anthopoulos, T. D. Low-voltage ZnO thin-film transistors based on Y2O3 and Al2O3 high-k dielectrics deposited by spray pyrolysis in air. Applied Physics Letters. 98 (12), 123503 (2011).
- Branquinho, R., et al. Aqueous combustion synthesis of aluminum oxide thin films and application as gate dielectric in GZTO solution-based TFTs. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (22), 19592-19599 (2014).
- Shan, F., et al. Low-Voltage High-Stability InZnO Thin-Film Transistor Using Ultra-Thin Solution-Processed ZrOx Dielectric. Journal of Display Technology. 11 (6), 541-546 (2015).
- Lin, Y., et al. A Highly Controllable Electrochemical Anodization Process to Fabricate Porous Anodic Aluminum Oxide Membranes. Nanoscale Research Letters. 10 (1), 495 (2015).
- Gomes, T. C., Kumar, D., Fugikawa-Santos, L., Alves, N., Kettle, J. Optimization of the Anodization Processing for Aluminum Oxide Gate Dielectrics in ZnO Thin Film Transistors by Multivariate Analysis. ACS Combinatorial Science. , (2019).
- Min, L., et al. Dual Gate Indium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors Based on Anodic Aluminum Oxide Gate Dielectrics. IEEE Transactions on Electron Devices. 61 (7), 2448-2453 (2014).
- Liu, A., et al. Eco-friendly water-induced aluminum oxide dielectrics and their application in a hybrid metal oxide/polymer TFT. RSC Advances. 5 (105), 86606-86613 (2015).
- Berndt, L. Anodization of Aluminum in Highly Viscous Phosphoric Acid. PART 2: Investigation of Anodic Oxide Formation and Dissolution Rates. International Journal of Electrochemical Science. , 9531-9550 (2018).
- Huang, S. Z., Hwu, J. G. Electrical characterization and process control of cost-effective high-k aluminum oxide gate dielectrics prepared by anodization followed by furnace annealing. IEEE Transactions on Electron Devices. 50 (7), 1658-1664 (2003).
- Iino, Y., et al. Organic Thin-Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxidized High-Dielectric-Constant Insulators. Japanese Journal of Applied Physics. 42, 299-304 (2003).
- Hickmott, T. W. Electrolyte effects on charge, polarization, and conduction in thin anodic Al2O3 films. I. Initial charge and temperature-dependent polarization. Journal of Applied Physics. 102 (9), 093706 (2007).
- Majewski, L. A., Schroeder, R., Grell, M. One Volt Organic Transistor. Advanced Materials. 17 (2), 192-196 (2005).
- Hickmott, T. W. Temperature dependence of the dielectric response of anodized Al-Al2O3-metal capacitors. Journal of Applied Physics. 93 (6), 3461-3469 (2003).
- Hickmott, T. W. Interface states at the anodized Al2O3-metal interface. Journal of Applied Physics. 89 (10), 5502-5508 (2001).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. . DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. , (2015).
- Ferreira, S. L. C., et al. Robustness evaluation in analytical methods optimized using experimental designs. Microchemical Journal. 131, 163-169 (2017).
- Nunes, C. A., Freitas, M. P., Pinheiro, A. C. M., Bastos, S. C. Chemoface: a novel free user-friendly interface for chemometrics. Journal of the Brazilian Chemical Society. 23 (11), 2003-2010 (2012).
