पतली फिल्म ट्रांजिस्टर के एल्यूमीनियम ऑक्साइड डाइइलेक्ट्रिक परत पर एनोडाइजेशन मापदंडों का प्रभाव
Summary
जिंक-ऑक्साइड पतली फिल्म ट्रांजिस्टर (TFTs) के एल्यूमीनियम-ऑक्साइड डाइइलेक्ट्रिक लेयर के विकास के लिए एनोडाइजेशन पैरामीटर विद्युत पैरामीटर प्रतिक्रियाओं पर प्रभाव निर्धारित करने के लिए भिन्न हैं। विचरण (एनोवा) का विश्लेषण विनिर्माण स्थितियों को निर्धारित करने के लिए प्रयोगों (डीओई) के प्लैकेट-बर्मन डिजाइन पर लागू किया जाता है जिसके परिणामस्वरूप अनुकूलित डिवाइस प्रदर्शन होता है।
Abstract
एल्यूमीनियम-ऑक्साइड (अल2O3)एक कम लागत, आसानी से प्रक्रियायोग्य और उच्च डाइइलेक्ट्रिक लगातार इन्सुलेट सामग्री है जो विशेष रूप से पतली फिल्म ट्रांजिस्टर (TFTs) की डाइइलेक्ट्रिक परत के रूप में उपयोग के लिए उपयुक्त है। धातु एल्यूमीनियम फिल्मों के एनोडाइजेशन से एल्यूमीनियम-ऑक्साइड परतों का विकास परमाणु परत जमाव (एएलडी) या जमाव विधियों जैसे परिष्कृत प्रक्रियाओं की तुलना में बहुत लाभप्रद है जो अपेक्षाकृत उच्च तापमान (300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर) जैसे जलीय दहन या स्प्रे-पायरोलिसिस की मांग करते हैं। हालांकि, ट्रांजिस्टर के विद्युत गुण अर्धचालक/डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस पर दोषों और स्थानीयकृत राज्यों की उपस्थिति पर अत्यधिक निर्भर हैं, जो एनोडीनीकृत डाइइलेक्ट्रिक लेयर के विनिर्माण मापदंडों से दृढ़ता से प्रभावित होते हैं । यह निर्धारित करने के लिए कि कई निर्माण पैरामीटर कारकों के सभी संभावित संयोजन प्रदर्शन के बिना डिवाइस प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करते हैं, हमने प्रयोगों (डीओई) के प्लैकेट-बर्मन डिजाइन के आधार पर एक कम कारक विश्लेषण का उपयोग किया। इस डीओई का चुनाव अनुकूलित डिवाइस प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए कारकों के संयोजन (सभी 256 संभावनाओं के बजाय) के केवल 12 प्रयोगात्मक रन के उपयोग की अनुमति देता है। टीएफटी गतिशीलता जैसे डिवाइस प्रतिक्रियाओं पर प्रभाव से कारकों की रैंकिंग प्राप्त परिणामों के लिए विचरण (ANOVA) के विश्लेषण को लागू करके संभव है।
Introduction
लचीला, मुद्रित और बड़े क्षेत्र इलेक्ट्रॉनिक्स एक उभरते बाजार है कि आगामी वर्षों में निवेश में अरबों डॉलर को आकर्षित करने की उंमीद है प्रतिनिधित्व करते हैं । स्मार्टफोन, फ्लैट पैनल प्रदर्शित करता है और इंटरनेट की बातें (IoT) उपकरणों की नई पीढ़ी के लिए हार्डवेयर आवश्यकताओं को प्राप्त करने के लिए, वहां सामग्री है कि हल्के, लचीला और गति और उच्च प्रदर्शन का त्याग के बिना दिखाई स्पेक्ट्रम में ऑप्टिकल संचारण के साथ कर रहे है के लिए एक बड़ी मांग है । एक महत्वपूर्ण बिंदु वर्तमान सक्रिय मैट्रिक्स डिस्प्ले (एएमडी) के अधिकांश ड्राइव सर्किट में उपयोग की जाने वाली पतली फिल्म ट्रांजिस्टर (टीएफटी) की सक्रिय सामग्री के रूप में असंगत सिलिकॉन (ए-एसआई) के विकल्प ढूंढना है। ए-एसआई में लचीले और पारदर्शी सब्सट्रेट्स के लिए कम अनुकूलता है, बड़े क्षेत्र के प्रसंस्करण की सीमाएं प्रस्तुत करती हैं, और इसमें लगभग 1 सेमी2‘वी-1एस-1की वाहक गतिशीलता है, जो अगली पीढ़ी के प्रदर्शनों के लिए संकल्प और ताज़ा दर की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती है। जिंक ऑक्साइड (ZnO)1,,2,,3,इंडियम जिंक ऑक्साइड (IZO)4,,5 और इंडियम गैलियम जिंक ऑक्साइड (IGZO)6,,7 जैसे अर्धचालक धातु ऑक्साइड (एसएमओ) टीएफटी की सक्रिय परत के रूप में ए-सी को बदलने के लिए अच्छे उम्मीदवार हैं क्योंकि वे दृश्यमान स्पेक्ट्रम में अत्यधिक पारदर्शी हैं, लचीला सब्सट्रेट्स और बड़े क्षेत्र बयान के लिए संगत कर रहे हैं और 80 सेमी 2 के रूप में उच्च के रूप में गतिशीलता प्राप्त कर सकते हैं2‧V-1एस-1. इसके अलावा, एसएमओ को विभिन्न तरीकों से संसाधित किया जा सकता है: आरएफ स्पंदन6, स्पंदित लेजर जमाव (पीएलडी)8,रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी)9,परमाणु परत जमाव (एएलडी)10,स्पिन-कोटिंग11,इंक-जेट प्रिंटिंग12 और स्प्रे-पायरोलिसिस13।
हालांकि, आंतरिक दोषों के नियंत्रण, वायु/यूवी उत्तेजित अस्थिरता और अर्धचालक/डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस स्थानीयकृत राज्यों के गठन जैसी कुछ चुनौतियों को अभी भी दूर करने की जरूरत है ताकि SMO आधारित टीएफटी शामिल सर्किट के बड़े पैमाने पर विनिर्माण को सक्षम किया जा सके । उच्च प्रदर्शन TFTs की वांछित विशेषताओं में, एक कम बिजली की खपत, कम आपरेशन वोल्टेज, कम फाटक रिसाव वर्तमान, दहलीज वोल्टेज स्थिरता और वाइडबैंड आवृत्ति आपरेशन, जो गेट dielectrics (और अर्धचालक/इंसुलेटर इंटरफेस के रूप में अच्छी तरह से) पर बेहद निर्भर है उल्लेख कर सकते हैं । इस अर्थ में, उच्च-डाइइलेक्ट्रिक सामग्री14,,15,,16 विशेष रूप से दिलचस्प है क्योंकि वे अपेक्षाकृत पतली फिल्मों का उपयोग करके प्रति इकाई क्षेत्र क्षमता और कम रिसाव धाराओं के बड़े मूल्य प्रदान करते हैं। एल्यूमीनियम ऑक्साइड (अल2O3)टीएफटी डाइइलेक्ट्रिक परत के लिए एक आशाजनक सामग्री है क्योंकि यह एक उच्च डाइइलेक्ट्रिक स्थिर (8 से 12 तक), उच्च डाइइलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ, उच्च विद्युत प्रतिरोधकता, उच्च थर्मल स्थिरता प्रस्तुत करता है और कई अलग-अलग जमाव/विकासतकनीक15,,17,,18,,19,,20,,21द्वारा बेहद पतली और समान फिल्मों के रूप में संसाधित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, एल्यूमीनियम पृथ्वी की पपड़ी में तीसरा सबसे प्रचुर मात्रा में तत्व है, इसका क्या मतलब है कि यह आसानी से उपलब्ध है और उच्च कश्मीर डाइइलेक्ट्रिक्स का उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किए जाने वाले अन्य तत्वों की तुलना में अपेक्षाकृत सस्ता है।
हालांकि जमाव/अल2O3 पतली (१०० एनएम से नीचे) फिल्मों के विकास को सफलतापूर्वक आरएफ मैग्नेट्रॉन स्पंदन जैसी तकनीकों द्वारा प्राप्त किया जा सकता है, रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), परमाणु परत जमाव (एएलडी), एक पतली धातु अल परत17,,18,,21,,22,23,,,24,,25,,26 के एनोडाइजेशन द्वारा विकास अपनी सादगी, कम लागत, कम तापमान, और नैनोमेट्रिक पैमाने में फिल्म मोटाई नियंत्रण के कारण लचीला इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए विशेष रूप से दिलचस्प है । इसके अलावा, एनोडाइजेशन में रोल-टू-रोल (R2R) प्रसंस्करण की एक बड़ी क्षमता है, जिसे औद्योगिक स्तर पर पहले से ही उपयोग की जा रही प्रसंस्करण तकनीकों से आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे त्वरित विनिर्माण अपस्केलिंग की अनुमति मिलती है।
धातु अल के एनोडाइजेशन द्वारा अल2O3 विकास निम्नलिखित समीकरणों द्वारा वर्णित किया जा सकता है
2अल + 3 / 2 02 → अल2O3 (1)
2अल + 3एच2ओ → अल2ओ3 + 3एच2 (2)
जहां इलेक्ट्रोलाइट समाधान में या फिल्म की सतह पर एडोरबेड अणुओं द्वारा ऑक्सीजन प्रदान की जाती है, जबकि पानी के अणु इलेक्ट्रोलाइट समाधान से तुरंत उपलब्ध होते हैं। एनोडाइज्ड फिल्म खुरदरापन (जो सेमीकंडक्टर/डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस पर वाहक बिखरने के कारण टीएफटी गतिशीलता को प्रभावित करता है) और सेमीकंडक्टर/डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस (जो टीएफटी दहलीज वोल्टेज और इलेक्ट्रिकल हिस्टीरेसिस को प्रभावित करता है) पर स्थानीयकृत राज्यों का घनत्व दृढ़ता से एनोडाइजेशन प्रक्रिया मापदंडों पर निर्भर है, कुछ नाम: पानी की सामग्री, तापमान और इलेक्ट्रोलाइट24,,27के पीएच । अल परत जमाव (जैसे वाष्पीकरण दर और धातु की मोटाई) से संबंधित अन्य कारक या पोस्ट-एनोडाइजेशन प्रक्रियाओं (जैसे एनीलिंग) से संबंधित अन्य कारक भी निर्मित टीएफटी के विद्युत प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं। प्रतिक्रिया मापदंडों पर इन कई कारकों के प्रभाव का अध्ययन अन्य सभी कारकों को स्थिर रखते हुए व्यक्तिगत रूप से प्रत्येक कारक को अलग करके किया जा सकता है, जो कि एक अत्यंत समय लेने वाला और अक्षम कार्य है। प्रयोगों का डिजाइन (डीओई), दूसरी ओर, कई मापदंडों की एक साथ भिन्नता पर आधारित एक सांख्यिकीय विधि है, जो अपेक्षाकृत कम संख्या में प्रयोगों का उपयोगकरकेसिस्टम/डिवाइस प्रदर्शन प्रतिक्रिया पर सबसे महत्वपूर्ण कारकों की पहचान की अनुमति देती है ।
हाल ही में, हमने स्पटरजेडओ टीएफटी18के प्रदर्शन पर अल2ओ3 एनोडिशन मापदंडों के प्रभावों का विश्लेषण करने के लिए एक प्लैकेट-बर्मन29 डीओई के आधार पर बहुवेरिएट विश्लेषण का उपयोग किया है। परिणामों का उपयोग कई अलग-अलग प्रतिक्रिया मापदंडों के लिए सबसे महत्वपूर्ण कारकों को खोजने के लिए किया गया था और डिवाइस प्रदर्शन के अनुकूलन के लिए लागू किया गया था जो डाइइलेक्ट्रिक लेयर की एनोडाइजेशन प्रक्रिया से संबंधित केवल मापदंडों को बदल रहा था।
वर्तमान काम गेट डाइइलेक्ट्रिक्स के रूप में एनोडाइज्ड अल2ओ3 फिल्मों का उपयोग करके टीएफटी के निर्माण के लिए पूरे प्रोटोकॉल को प्रस्तुत करता है, साथ ही एक प्लैकेट-बर्मन डीओई का उपयोग करके डिवाइस इलेक्ट्रिकल प्रदर्शन पर कई एनोडाइजेशन मापदंडों के प्रभाव के अध्ययन के लिए एक विस्तृत विवरण भी प्रस्तुत करता है। इस तरह के वाहक गतिशीलता के रूप में टीएफटी प्रतिक्रिया मापदंडों पर प्रभाव के महत्व प्रयोगों से प्राप्त परिणामों के लिए विचरण (ANOVA) के विश्लेषण प्रदर्शन से निर्धारित किया जाता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
डाइइलेक्ट्रिक प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली एनोडाइजेशन प्रक्रिया का लगातार सभी ज्यामितीय मापदंडों और सक्रिय के निर्माण मापदंडों को ध्यान में रखते हुए, निर्मित टीएफटी के प्रदर्शन पर एक मजबू?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक साओ पाउलो रिसर्च फाउंडेशन-FAPESP-ब्राजील (अनुदान 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 और 14/13904-8) और रॉयल एकेडमी ऑफ इंजीनियरिंग से अनुसंधान सहयोग कार्यक्रम न्यूटन फंड से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं । लेखक फिल्मांकन उपकरण उपलब्ध कराने के लिए बी एफ दा सिल्वा, जेपी ब्रागा, जेबी कैंटुरिया, जीआर डी लीमा और जीए डी लीमा सोब्रिन्हो और प्रो मार्सेलो डी कार्वाल्हो बोरबा के समूह (आईजीसीई/यूएनईएसपी) से तकनीकी सहायता को भी स्वीकार करते हैं ।
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% |
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