Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Параметры анодирования для роста диэлектрического слоя оксида алюминия тонкопленочных транзисторов (ТФТ) изменяются для определения влияния на электрические параметры. Анализ дисперсии (ANOVA) применяется к разработке экспериментов Plackett-Burman (DOE) для определения производственных условий, которые приводят к оптимизации производительности устройства.
Оксид алюминия (Al2O3) является низкой стоимостью, легко обрабатываемый и высокой диэлектрической постоянной изоляционный материал, который особенно подходит для использования в качестве диэлектрического слоя тонкопленочных транзисторов (TFTs). Рост слоев оксида алюминия от анодизации металлических алюминиевых пленок является весьма выгодным по сравнению со сложными процессами, такими как осаждение атомного слоя (ALD) или методы осаждения, которые требуют относительно высоких температур (выше 300 градусов по Цельсию), таких как ваквеозное сгорание или спрей-пиролиза. Однако электрические свойства транзисторов сильно зависят от наличия дефектов и локализованных состояний на полупроводниковом/диэлектрическом интерфейсе, на которые сильно влияют производственные параметры анодированного диэлектрического слоя. Чтобы определить, как несколько параметров изготовления влияют на производительность устройства, не выполняя при этом все возможные комбинации факторов, мы использовали пониженный факторный анализ на основе дизайна экспериментов Plackett-Burman (DOE). Выбор этого DOE позволяет использовать только 12 экспериментальных запусков комбинаций факторов (вместо всех 256 возможностей) для получения оптимизированной производительности устройства. Рейтинг факторов по влиянию на реакции устройства, такие как мобильность TFT, возможен путем применения анализа дисперсии (ANOVA) к полученным результатам.
Гибкая, печатная и большая электроника представляет собой развивающийся рынок, который, как ожидается, привлечет миллиарды долларов инвестиций в ближайшие годы. Для достижения аппаратных требований к новому поколению смартфонов, плоских дисплеев и устройств Интернета вещей (IoT) существует огромный спрос на легкие, гибкие материалы и с оптической передачей в видимом спектре без ущерба для скорости и высокой производительности. Ключевым моментом является поиск альтернатив аморфным кремниям (a-Si) в качестве активного материала тонкопленочных транзисторов (TFT), используемых в приводных схемах большинства текущих активных матричных дисплеев (AMD). a-Si имеет низкую совместимость с гибкими и прозрачными субстратами, представляет ограничения для обработки большой площади, и имеет мобильность перевозчика около 1 см2зВ-1,которые не могут удовлетворить потребности разрешения и скорости обновления для дисплеев следующего поколения. Полупроводниковые оксиды металла (СМО), такие как оксид цинка (ЗНО)1,2,3, оксид цинка индиума (ИЗО)4,5 и оксид цинка галлия (ИГЗО)6,7 являются хорошими кандидатами на замену a-Si в качестве активного слоя TFTs, потому что они очень прозрачны в видимом спектре, совместимы с гибкими субстратами и осаждением большой площади и могут достигать мобильности до 80 см2-1-1. Кроме того, СМО могут быть обработаны различными методами: RF распыления6 , импульсное лазерное осаждение (PLD)8, химическое осаждение пара (CVD)9, осаждение атомного слоя (ALD)10, спин-покрытие11, чернила-струи печати12 и спрей-пиролиза13.
Тем не менее, несколько проблем, таких как контроль внутренних дефектов, воздух / УФ стимулировали нестабильность и формирование полупроводникового/ диэлектрического интерфейса локализованных состояний по-прежнему необходимо преодолеть, чтобы широкомасштабное производство схем, включающих SMO основе TFTs. Среди желаемых характеристик высокопроизводительных TFTs можно упомянуть низкое энергопотребление, низкое напряжение работы, ток утечки ворот, стабильность порогового напряжения и широкодиапазонную частотную работу, которые чрезвычайно зависят от диэлектрики ворот (и полупроводникового/изоляторного интерфейса). В этом смысле высокоэлектрические материалы14,,15,,16 особенно интересны, поскольку они обеспечивают большие значения емости на единицу площади и низкие токи утечки с использованием относительно тонких пленок. Оксид алюминия (Al2O3) является перспективным материалом для dielectric слоя TFT, так как он представляет собой высокую диэлектрическую константу (от 8 до 12), высокую диэлектрическую прочность, высокую электрическую устойчивость, высокую тепловую устойчивость и может быть обработан как чрезвычайно тонкие и однородные пленки несколькими различными методами осаждения/роста15,17,18,,19,,20,21. Кроме того, алюминий является третьим наиболее распространенным элементом в земной коре, что означает, что он легко доступен и относительно дешев по сравнению с другими элементами, используемыми для производства диэлектрики с высоким уровнем к.
Хотя осаждение / рост Al2O3 тонких (ниже 100 нм) пленки могут быть успешно достигнуты такими методами, как RF магнетрон распыления, химическое осаждение паров (CVD), осаждение атомного слоя (ALD), рост за счет анодизации тонкого металлического слоя Al17,,18,,21,,22,,23,,24,,25,,26 особенно интересен для гибкой электроники из-за ее простоты, низкой стоимости, низкой температуры и толщины пленки в нанометрической шкале. Кроме того, анодизация имеет большой потенциал для переработки рулона к рулону (R2R), которая может быть легко адаптирована из методов обработки, уже используемых на промышленном уровне, что позволяет быстрое наращивание производства.
Аль2O3 рост анодизации металлических Al может быть описано в следующих уравнениях
2Аль-3 / 2 02 и Аль2О3 (1)
2Аль-3 H2O и Al2O3 ХH2 (2)
где кислород обеспечивается растворенного кислорода в растворе электролитных растворах или адсорбированными молекулами на поверхности пленки, в то время как молекулы воды быстро доступны из раствора электролита. Анодизированная неровность пленки (которая влияет на мобильность TFT из-за рассеяния носителя на полупроводниковом/диэлектриковом интерфейсе) и плотности локализованных состояний на полупроводниковом/диэлектрическом интерфейсе (который влияет на напряжение порога TFT и электрический истерика) сильно зависят от параметров процесса анодизации, чтобы назвать несколько: содержание воды, температуру и рН электроэлектрического,24.24 Другие факторы, связанные с осаждением слоя Al (например, скорость испарения и толщина металла) или постанодизации процессов (например, аннулирование) также может повлиять на электрическую производительность изготовленных TFTs. Влияние этих многочисленных факторов на параметры реакции может быть изучено путем изменения каждого фактора в отдельности, сохраняя при этом все другие факторы постоянными, что является чрезвычайно трудоемкой и неэффективной задачей. Проектирование экспериментов (DOE), с другой стороны, является статистическим методом, основанным на одновременном изменении нескольких параметров, который позволяет выявить наиболее значимые факторы в ответе на производительность системы/устройства с помощью относительно сокращенного числа экспериментов28.
Недавно мы использовали многовариантный анализ на основе Plackett-Burman29 DOE для анализа влияния параметров анодизации Al2O3 на производительность распыленных TFTs18. Результаты были использованы для поиска наиболее значимых факторов для нескольких различных параметров ответа и применены к оптимизации производительности устройства, изменяя только параметры, связанные с процессом анодизации диэлектрического слоя.
Текущая работа представляет весь протокол для производства TFTs с использованием анодированных Al2O3 пленки в качестве ворот dielectrics, а также подробное описание для изучения влияния нескольких параметров анодизации на устройство электрической производительности с помощью Plackett-Burman DOE. Значение влияния на параметры реакции TFT, такие как мобильность носителя, определяется путем проведения анализа дисперсии (ANOVA) к результатам, полученным в ходе экспериментов.
Протокол, описанный в настоящей работе, разделен на: i) подготовку электролитического раствора для анодизации; ii) очистка и подготовка подстепов; iii) процесс анодизации; iv) осаждение активного слоя TFT и сливных/источников электродов; v) Электрическая характеристика TFT и анализ и vi) применение ANOVA для определения значимости производственных факторов в мобильности TFT.
1. Подготовка электролитического раствора для анодизации
2. Очистка и подготовка субстрата
3. Испарение алюминиевых ворот электрода
4. Процесс анодизации алюминиевого слоя
5. Осаждение активного слоя ЗНО
6. Осаждение дренажных и исходных электродов
7. Электрическая характеристика TFT
8. ANOVA и влияние факторов проектирования на производительность устройства
Восемь различных параметров производства оксида алюминия были использованы в качестве факторов изготовления, которые мы использовали для анализа влияния на производительность TFT. Эти факторы перечислены в таблице 1,где представлены соответствующие значения «низкий» (-1) и «в?...
Процесс анодизации, используемый для получения диэлектрика, оказывает сильное влияние на производительность изготовленных TFTs, сохраняя постоянновсе геометрические параметры и параметры изготовления активных. Для мобильности TFT, которая является одним из наиболее важных параметров ?...
Авторам нечего раскрывать.
Авторы признают финансовую поддержку со стороны Сан-Паулу научно-исследовательский фонд - FAPESP - Бразилия (гранты 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 и 14/13904-8) и научно-исследовательская программа сотрудничества Ньютон фонд Ньютона из Королевской инженерной академии. Авторы также признают техническую поддержку со стороны Б. Ф. да Силвы, Дж.П. Браги, Дж.Б. Кантуарии, Г.Р. де Лимы и Г.А. де Лимы Собриньо и группы профессора Марсело де Карвалью Борбы (IGCE/UNESP) в предоставлении съемочного оборудования.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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% |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены