Het effect van anodisatieparameters op de di-elektrische laag van aluminiumoxide van dunne-filmtransistors
Summary
Anodisatie parameters voor de groei van de aluminiumoxide diëlektrische laag van zink-oxide dunne-film transistors (TAT’s) zijn gevarieerd om de effecten op de elektrische parameter reacties te bepalen. Analyse van variantie (ANOVA) wordt toegepast op een Plackett-Burman ontwerp van experimenten (DOE) om de productieomstandigheden te bepalen die resulteren in geoptimaliseerde apparaatprestaties.
Abstract
Aluminiumoxide (Al2O3)is een goedkoop, gemakkelijk verwerkbaar en hoog diëlektrisch constant isolatiemateriaal dat bijzonder geschikt is voor gebruik als de diëlektrische laag dunne-film transistors (TAT’s). De groei van aluminiumoxidelagen door anodisatie van metalen aluminiumfolies is zeer voordelig in vergelijking met geavanceerde processen zoals atoomlaagdepositie (ALD) of afzettingsmethoden die relatief hoge temperaturen (boven 300 °C) vereisen, zoals waterige verbranding of spraypyrolyse. De elektrische eigenschappen van de transistors zijn echter sterk afhankelijk van de aanwezigheid van defecten en gelokaliseerde toestanden op de halfgeleider/diëlektrische interface, die sterk worden beïnvloed door de productieparameters van de geanodiseerde diëledrische laag. Om te bepalen hoe verschillende fabricageparameters de prestaties van het apparaat beïnvloeden zonder alle mogelijke combinatie van factoren uit te voeren, gebruikten we een verminderde factoriële analyse op basis van een Plackett-Burman ontwerp van experimenten (DOE). De keuze van deze DOE maakt het gebruik van slechts 12 experimentele runs van combinaties van factoren (in plaats van alle 256 mogelijkheden) om de geoptimaliseerde apparaatprestaties te verkrijgen. De rangschikking van de factoren door het effect op apparaatreacties zoals de TFT-mobiliteit is mogelijk door een analyse van de variantie (ANOVA) toe te passen op de verkregen resultaten.
Introduction
Flexibele, gedrukte en grote elektronica in het grote gebied vormen een opkomende markt die naar verwachting miljarden dollars aan investeringen aan te trekken in de komende jaren. Om te voldoen aan de hardwarevereisten voor de nieuwe generatie smartphones, flatpanelschermen en Internet-of-Things (IoT)-apparaten, is er een enorme vraag naar materialen die lichtgewicht, flexibel en met optische transmissie in het zichtbare spectrum zijn zonder in te boeten aan snelheid en hoge prestaties. Een belangrijk punt is het vinden van alternatieven voor amorf silicium (a-Si) als het actieve materiaal van de dunne-film transistors (TAT’s) gebruikt in de drive circuits van de meeste van de huidige active-matrix displays (AMDs). a-Si heeft een lage compatibiliteit met flexibele en transparante substraten, biedt beperkingen aan de verwerking in grote gebieden en heeft een dragermobiliteit van ongeveer 1 cm2∙V-1-s -1, die niet kan voldoen aan de behoeften van resolutie en verversingssnelheid voor beeldschermen van de volgende generatie. Semigeleidende metaaloxiden (SOA’s) zoals zinkoxide (ZnO)1,2,3, indiumzinkoxide (IZO)4,,5 en indium galliumzinkoxide (IGZO)6,7 zijn goede kandidaten om a-Si te vervangen als actieve laag t-t’s omdat ze zeer transparant zijn in het zichtbare spectrum, zijn compatibel met flexibele substraten en afzetting en grote oppervlaktedepositie en kan tot 80 cm2∙V-1-s-1. Bovendien kunnen KMO’s worden verwerkt in verschillende methoden: RF sputteren6, gepulseerde laserdepositie (PLD)8, chemische dampafzetting (CVD)9, atomaire laagdepositie (ALD)10, spin-coating11,ink-jet printing12 en spray-pyrolyse13.
Er hoeven echter nog weinig uitdagingen te worden overwonnen, zoals de beheersing van intrinsieke defecten, lucht/UV-prikkelingen en de vorming van gelokaliseerde halfgeleider-/diëlektrische interface-gelokaliseerde staten om de grootschalige productie van circuits met SMO-gebaseerde TAT’s mogelijk te maken. Onder de gewenste kenmerken van high performance TFT’s, kan men het lage stroomverbruik, lage werkingspanning, lage poort lekkage stroom, drempel spanning stabiliteit en wideband frequentie operatie, die zeer afhankelijk zijn van de poort delectrics (en de halfgeleider / isolator interface ook). In deze zin, high-κ diëlektrische materialen14,15,16 zijn bijzonder interessant omdat ze grote waarden van capaciteit per eenheid gebied en lage lekkage stromen met behulp van relatief dunne films. Aluminiumoxide (Al2O3)is een veelbelovend materiaal voor de TFT diëlektrische laag, omdat het een hoge diëlektrische constante (van 8 tot 12), hoge diëlektrische sterkte, hoge elektrische weerstand, hoge thermische stabiliteit en kan worden verwerkt als extreem dunne en uniforme films door verschillende depositie / groeitechnieken15,17,18,19,20,21. Bovendien, aluminium is de derde meest voorkomende element in de aardkorst, wat betekent dat het gemakkelijk beschikbaar en relatief goedkoop in vergelijking met andere elementen die worden gebruikt om high-k delectrics te produceren.
Hoewel depositie/groei van Al2O3 dunne (minder dan 100 nm) films met succes kunnen worden bereikt door technieken zoals RF-magnetrons, chemische dampdepositie (CVD), atoomlaag depositie (ALD), de groei door anodisatie van een dunne metalen Al laag17,18,21,22,23,24,26,26 is bijzonder interessant voor flexibele elektronica vanwege de eenvoud, lage kosten, lage temperatuur, en film dikte controle in nanometrische schaal., Bovendien heeft anodisatie een groot potentieel voor roll-to-roll (R2R) verwerking, die gemakkelijk kan worden aangepast aan de verwerkingstechnieken die al op industrieel niveau worden gebruikt, waardoor snelle productie-opschaling mogelijk is.
Al2O3 groei door anodisatie van metallic Al kan worden beschreven door de volgende vergelijkingen
2Al + 3 / 2 02 → Al2O3 (1)
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (2)
wanneer de zuurstof wordt geleverd door de opgeloste zuurstof in de elektrolytoplossing of door de geadsorbeerde moleculen aan het filmoppervlak, terwijl de watermoleculen onmiddellijk beschikbaar zijn vanuit de elektrolytoplossing. De geanodiseerde filmruwheid (die de TFT-mobiliteit beïnvloedt als gevolg van dragerverstrooiing op de halfgeleider/diëlektrische interface) en de dichtheid van gelokaliseerde toestanden op de halfgeleider/diëlektrische interface (die de TFT-drempelspanning en elektrische hysterese beïnvloedt) zijn sterk afhankelijk van anodisatieprocesparameters, om er maar een paar te noemen: het watergehalte, de temperatuur en de pH van de elektrolyt2424,27. Andere factoren die verband houden met de Al-laagdepositie (zoals verdampingssnelheid en metaaldikte) of post-anodisatieprocessen (zoals annealing) kunnen ook de elektrische prestaties van gefabriceerde TAT’s beïnvloeden. Het effect van deze meervoudige factoren op responsparameters kan worden bestudeerd door elke factor afzonderlijk te variëren en tegelijkertijd alle andere factoren constant te houden, wat een uiterst tijdrovende en inefficiënte taak is. Ontwerp van experimenten (DOE), aan de andere kant, is een statistische methode op basis van de gelijktijdige variatie van meerdere parameters, die het mogelijk maakt de identificatie van de belangrijkste factoren op een systeem / apparaat prestatierespons met behulp van een relatief verminderd aantal experimenten28.
Onlangs hebben we multivariate analyse op basis van een Plackett-Burman29 DOE gebruikt om de effecten van Al2O3 anodisatie parameters op de prestaties van gesputterde ZnO TFTs18te analyseren. De resultaten werden gebruikt om de belangrijkste factoren voor verschillende responsparameters te vinden en toegepast op de optimalisatie van de prestaties van het apparaat die alleen parameters wijzigen die verband houden met het anodisatieproces van de diëlektrische laag.
Het huidige werk presenteert het hele protocol voor de productie van TAT’s met behulp van geanodiseerde Al2O3 films als poort delectricie, evenals een gedetailleerde beschrijving voor de studie van de invloed van de meerdere anodisatie parameters op het apparaat elektrische prestaties met behulp van een Plackett-Burman DOE. De betekenis van de effecten op TFT-responsparameters, zoals de mobiliteit van de drager, wordt bepaald door een analyse van de variantie (ANOVA) uit te voeren op de resultaten van de experimenten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het anodisatieproces dat wordt gebruikt om de diëlektrische te verkrijgen heeft een sterke invloed op de prestaties van de vervaardigde TAT’s, waardoor alle geometrische parameters en de fabricageparameters van de actieve neven constant blijven. Voor de TFT-mobiliteit, een van de belangrijkste prestatieparameters voor TFT’s, kan deze meer dan 2 ordes van grootte variëren door de productiefactoren in het bereik van tabel I te wijzigen. Daarom is de zorgvuldige controle van de anodisatieparameters van groot belang bij he…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de financiële steun van São Paulo Research Foundation – FAPESP – Brazilië (subsidies 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 en 14/13904-8) en Research Collaboration Program Newton Fund van Royal Academy of Engineering. Auteurs erkennen ook de technische ondersteuning van B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima en G.A. de Lima Sobrinho en prof. Marcelo de Carvalho Borba’s groep (IGCE/UNESP) voor het leveren van de filmapparatuur.
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).
