İnce Film Transistörlerinin Alüminyum Oksit Dielektrik Tabakasına Anodizasyon Parametrelerinin Etkisi
Summary
Çinko-oksit ince film transistörlerinin (TFT) alüminyum-oksit dielektrik tabakasının büyümesi için anodizasyon parametreleri, elektriksel parametre yanıtları üzerindeki etkilerini belirlemek için çeşitlidir. Varyans analizi (ANOVA), optimize edilmiş cihaz performansıyla sonuçlanan üretim koşullarını belirlemek için Plackett-Burman deney tasarımına (DOE) uygulanır.
Abstract
Alüminyum oksit (Al2O3),özellikle ince film transistörlerinin (TFT) dielektrik tabakası olarak kullanıma uygun olan düşük maliyetli, kolay işlenebilir ve yüksek dielektrik sabit yalıtım malzemesidir. Metalik alüminyum filmlerin anodizasyonundan elde edilen alüminyum oksit tabakalarının büyümesi, atomik tabaka birikimi (ALD) veya sulu yanma veya sprey pirolyaz gibi nispeten yüksek sıcaklıklar (300 °C’nin üzerinde) gerektiren biriktirme yöntemleri gibi gelişmiş süreçlerle karşılaştırıldığında büyük ölçüde avantajlıdır. Ancak transistörlerin elektriksel özellikleri, anodize dielektrik tabakanın üretim parametrelerinden güçlü bir şekilde etkilenen yarı iletken/dielektrik arabirimindeki kusurların ve lokalize durumların varlığına son derece bağlıdır. Çeşitli üretim parametrelerinin tüm olası faktörler intibakına gerek kalmadan cihaz performansını nasıl etkilediğini belirlemek için, Plackett-Burman deney tasarımına (DOE) dayalı azaltılmış bir faktöriyel analiz kullandık. Bu DOE’nin seçimi, optimize edilmiş cihaz performansını elde etmek için yalnızca 12 deneysel faktör kombinasyonunun (256 olasılık yerine) kullanılmasına izin verir. Faktörlerin TFT mobilitesi gibi cihaz yanıtları üzerindeki etkisinin sıralaması elde edilen sonuçlara varyans (ANOVA) analizi uygulanarak mümkündür.
Introduction
Esnek, baskılı ve geniş alan elektroniği, önümüzdeki yıllarda milyarlarca dolarlık yatırım çekmesi beklenen gelişmekte olan bir piyasayı temsil etmektedir. Yeni nesil akıllı telefonlar, düz panel ekranlar ve nesnelerin interneti (IoT) cihazları için donanım gereksinimlerini karşılamak için, hız ve yüksek performanstan ödün vermeden görünür spektrumda hafif, esnek ve optik vericili malzemelere büyük bir talep vardır. Önemli bir nokta, mevcut aktif matris ekranlarının (AMD’lerin) çoğunun sürücü devrelerinde kullanılan ince film transistörlerinin (TFT’ ler) aktif malzemesi olarak amorf silikona (a-Si) alternatifler bulmaktır. a-Si esnek ve saydam yüzeylere düşük uyumluluğa sahiptir, geniş alan işlemeye sınırlamalar getirir ve yeni nesil ekranlar için çözünürlük ve yenileme hızı ihtiyaçlarını karşılayamayan yaklaşık 1 cm2,V-1,s-1taşıyıcı hareketliliğine sahiptir. Çinko oksit (ZnO)1,,2,,3, indiyum çinko oksit (IZO)4,,5 ve indiyum galyum çinko oksit (IGZO) 6 gibi yarı iletken metal oksitler (SMO’ lar)6,7 görünür spektrumda son derece saydam oldukları için TFT’lerin aktif tabakası olarak A-Si’yi değiştirmek için iyi adaylardır, esnek yüzeylere ve geniş alan birikimine uyumludur ve 80 cm2‘V-1 ,1’ekadar mobiliteler elde edebilir.-1 Ayrıca, SMO’lar çeşitli yöntemlerle işlenebilir: RF püskürtme6 , darbeli lazer birikimi (PLD)8, kimyasal buhar birikimi (CVD)9, atomik tabaka birikimi (ALD)10, spin kaplama11, mürekkep püskürtme baskı12 ve sprey-piroliz13.
Ancak, Içsel kusurların kontrolü, hava/UV uyarılmış dengesizlikler ve yarı iletken/dielektrik arayüz lokalize durumların oluşumu gibi birkaç zorluğun üstesinden gelinerek SMO tabanlı TFT’lerden oluşan devrelerin büyük ölçekli imalatına olanak sağlaması gerekmektedir. Yüksek performanslı TFT’lerin istenilen özellikleri arasında, düşük güç tüketimi, düşük çalışma gerilimi, alçak geçit kaçağı akımı, eşik gerilim stabilitesi ve kapı dielektriklerine (ve yarı iletken/yalıtkan arabirimine) son derece bağımlı olan geniş bant frekans ı ndan söz edilebilir. Bu anlamda, yüksek κ dielektrik malzemeler14,15,16 nispeten ince filmler kullanarak birim alan başına kapasitans ve düşük sızıntı akımları büyük değerler sağlamak beri özellikle ilginçtir. Alüminyum oksit (Al2O3)yüksek dielektrik sabiti (8’den 12’ye kadar), yüksek dielektrik mukavemeti, yüksek elektrik direnci, yüksek ısı stabilitesi ve birkaç farklı biriktirme/büyüme tekniği ile son derece ince ve tek düze filmler olarak işlenebilir15,17,18,19,20,21. Ayrıca, alüminyum yerkabuğunda üçüncü en bol elementtir, ne kolayca kullanılabilir ve nispeten ucuz diğer elementlere göre yüksek-k dielectricüretmek için kullanılan anlamına gelir.
Al2O3 ince (100 nm’nin altında) filmlerin birikimi/büyümesi RF magnetron püskürtme gibi tekniklerle başarılı bir şekilde elde edilebilse de, kimyasal buhar birikimi (CVD), atomik tabaka birikimi (ALD), ince metalik Al tabakası 17 anodizasyon ile büyüme17,18,21,22,23,24,25,26özellikle esnek elektronik için basitlik nedeniyle ilginç, düşük maliyet, düşük sıcaklık, ve nanometrik ölçekte film kalınlığı kontrolü.26 Ayrıca, anodizasyon, endüstriyel düzeyde zaten kullanılmakta olan işleme tekniklerinden kolayca adapte edilebilen ve hızlı üretim yükseltmesine izin veren rulodan ruloya (R2R) işleme için büyük bir potansiyele sahiptir.
Al2O3 metalik Al anodization ile büyüme aşağıdaki denklemler ile tanımlanabilir
2Al + 3 / 2 02 → Al2O3 (1)
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2 (2)
oksijenelektrolit çözeltisi veya film yüzeyinde adsoryatak molekülleri tarafından çözünmüş oksijen tarafından sağlanan nerede, su molekülleri elektrolit çözeltisi hemen kullanılabilir ise. Anodize film pürüzlülüğü (yarı iletken/dielektrik arabirimde taşıyıcı saçılma nedeniyle TFT hareketliliğini etkileyen) ve yarı iletken/dielektrik arabirimindeki lokalize durumların yoğunluğu (TFT eşik gerilimi ve elektrik histerisini etkileyen) kuvvetle anodizme işlem parametrelerine bağlıdır: su içeriği, sıcaklık ve elektrolitin pH’ı24,27. Al tabakası birikimi (buharlaşma hızı ve metal kalınlığı gibi) veya anodizasyon sonrası işlemler (annealing gibi) ile ilgili diğer faktörler de fabrikasyon TFT’lerin elektriksel performansını etkileyebilir. Bu çoklu faktörlerin yanıt parametreleri üzerindeki etkisi, son derece zaman alan ve verimsiz bir görev olan diğer tüm faktörleri sabit tutarken her faktörü ayrı ayrı değiştirerek incelenebilir. Deneylerin tasarımı (DOE), diğer taraftan, bir sistem/ cihaz performans yanıtı üzerinde en önemli faktörlerin tanımlanmasına izin veren birden fazla parametrenin eşzamanlı varyasyonuna dayanan istatistiksel bir yöntemdir, bu yöntem nispeten azaltılmış sayıda deney kullanarak28.
Son zamanlarda, bir Plackett-Burman dayalı multivariatanalizi kullandık2 O3 anodizasyon parametrelerinin etkileri analiz etmek için püskürtülür ZnO TFTs18. Sonuçlar birkaç farklı yanıt parametreleri için en önemli faktörleri bulmak için kullanıldı ve deleelektrik tabakanın anodizasyon işlemi ile ilgili parametreleri değiştirerek cihaz performansının optimizasyonuna uygulandı.
Mevcut çalışma kapı dielektrik olarak anodize Al2O3 filmleri kullanarak TFTs üretimi için tüm protokol sunar, yanı sıra bir Plackett-Burman DOE kullanarak cihaz elektrik performansı üzerinde birden fazla anodizme parametrelerinetkisi çalışma için ayrıntılı bir açıklama. Taşıyıcı hareketliliği gibi TFT yanıt parametreleri üzerindeki etkilerin önemi, varyans analizi (ANOVA) ile deneylerden elde edilen sonuçlarla belirlenir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dielektrik elde etmek için kullanılan anodizasyon işlemi, tüm geometrik parametreleri ve aktif üretim parametrelerini sabit tutarak, imal Edilen TFT’lerin performansı üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. TFT’ler için en önemli performans parametrelerinden biri olan TFT mobilitesi için, Tablo I’in verdiği aralıktaki üretim faktörlerini değiştirerek 2’den fazla büyüklük sırası değişebilir. Bu nedenle, anodizm parametrelerinin dikkatli kontrolü, eloksallaştırılmış Al2O3 k…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar São Paulo Araştırma Vakfı mali destek kabul – FAPESP – Brezilya (hibe 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 ve 14/13904-8) ve Araştırma İşbirliği Programı Newton Fonu Royal Academy of Engineering. Yazarlar ayrıca B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima ve G.A. de Lima Sobrinho ve Prof. Marcelo de Carvalho Borba’nın grubunun (IGCE/UNESP) film ekipmanlarının sağlanması için teknik desteğini kabul etmektedirler.
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).
