Name: the effect of anodization parameters on the aluminum oxide dielectric layer of thin-film transistors
Uploaded: 2020-05-24T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Effect of Anodization Parameters on the Aluminum Oxide Dielectric Layer of Thin-Film Transistors at JoVE.com

Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung der Forschungsstiftung FAPESP – Brasilien (Zuschüsse 19/05620-3, 19/08019-9, 19/01671-2, 16/03484-7 und 14/13904-8) und des Research Collaboration Program Newton Fund der Royal Academy of Engineering. Die Autoren würdigen auch die technische Unterstützung von B. F. da Silva, J.P. Braga, J.B. Cantuaria, G.R. de Lima und G.A. de Lima Sobrinho und der Gruppe von Prof. Marcelo de Carvalho Borba (IGCE/UNESP) für die Bereitstellung der Filmausrüstung.

Das in dieser Arbeit beschriebene Protokoll ist unterteilt in: i) Vorbereitung der elektrolytischen Lösung zur Eloxierung; ii) Substratreinigung und -zubereitung; iii) Anodisierungsprozess; iv) Ablagerung der aktiven TFT-Schicht und der Abfluss-/Quellenelektroden; v) TFT-Elektrocharakterisierung und -analyse und vi) Anwendung von ANOVA zur Bestimmung der Bedeutung der Herstellungsfaktoren für die TFT-Mobilität.
1. Vorbereitung der elektrolytischen Anodisierungslösung
<ol><li>Führen Sie ...

<ol>
	<li>Fortunato, E. M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+Transparent+ZnO+Thin-Film+Transistor+Produced+at+Room+Temperature.">Fully Transparent ZnO Thin-Film Transistor Produced at Room Temperature.</a> Advanced Materials. 17 (5), 590-594 (2005).</li><li>Fortunato, E. M. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide-bandgap+high-mobility+ZnO+thin-film+transistors+produced+at+room+temperature.">Wide-bandgap high-mobility ZnO thin-film transistors produced at room temperature.</a> Applied Physics Letters. 85 (13), 2541-2543 (2004).</li><li>Nomura, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thin-film+transistor+fabricated+in+single-crystalline+transparent+oxide+semiconductor.">Thin-film transistor fabricated in single-crystalline transparent oxide semiconductor.</a> Science. 300 (5623), 1269-1272 (2003).</li><li>Noviyana, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Mobility+Thin+Film+Transistors+Based+on+Amorphous+Indium+Zinc+Tin+Oxide.">High Mobility Thin Film Transistors Based on Amorphous Indium Zinc Tin Oxide.</a> Materials. 10 (7), (2017).</li><li>Nomura, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Amorphous+Oxide+Semiconductors+for+High-Performance+Flexible+Thin-Film+Transistors.">Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 45 (5), 4303-4308 (2006).</li><li>Kamiya, T., Nomura, K., Hosono, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Present+status+of+amorphous+In-Ga-Zn-O+thin-film+transistors.">Present status of amorphous In-Ga-Zn-O thin-film transistors.</a> Science and Technology of Advanced Materials. 11 (4), 044305 (2010).</li><li>Lin, C. I., Fang, Y. K., Chang, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+IGZO+fully+transparent+oxide+thin+film+transistor+on+glass+substrate.">The IGZO fully transparent oxide thin film transistor on glass substrate.</a> International Journal of Nanotechnology. 12, 3 (2015).</li><li>Craciun, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+properties+of+amorphous+indium+zinc+oxide+thin+films+synthesized+by+pulsed+laser+deposition.">Optical properties of amorphous indium zinc oxide thin films synthesized by pulsed laser deposition.</a> Applied Surface Science. 306, 52-55 (2014).</li><li>Suh, S., Hoffman, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+metal-organic+precursor+for+the+low-temperature+atmospheric+pressure+chemical+vapor+deposition+of+zinc+oxide.">A new metal-organic precursor for the low-temperature atmospheric pressure chemical vapor deposition of zinc oxide.</a> Journal of Materials Science Letters. 8, 789-791 (1999).</li><li>Lin, Y. -. Y., Hsu, C. -. C., Tseng, M. -. H., Shyue, J. -. J., Tsai, F. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+and+High-Performance+Flexible+ZnO+Thin-Film+Transistors+by+Atomic+Layer+Deposition.">Stable and High-Performance Flexible ZnO Thin-Film Transistors by Atomic Layer Deposition.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 7 (40), 22610-22617 (2015).</li><li>Walker, D. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+mobility+indium+zinc+oxide+thin+film+field-effect+transistors+by+semiconductor+layer+engineering.">High mobility indium zinc oxide thin film field-effect transistors by semiconductor layer engineering.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 4 (12), 6835-6841 (2012).</li><li>Meyers, S. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aqueous+Inorganic+Inks+for+Low-Temperature+Fabrication+of+ZnO+TFTs.">Aqueous Inorganic Inks for Low-Temperature Fabrication of ZnO TFTs.</a> Journal of the American Chemical Society. 130 (51), 17603-17609 (2008).</li><li>Krunks, M., Mellikov, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Zinc+oxide+thin+films+by+the+spray+pyrolysis+method.">Zinc oxide thin films by the spray pyrolysis method.</a> Thin Solid Films. 270 (1-2), 33-36 (1995).</li><li>Adamopoulos, G., Thomas, S., Bradley, D. D. C., McLachlan, M. A., Anthopoulos, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-voltage+ZnO+thin-film+transistors+based+on+Y2O3+and+Al2O3+high-k+dielectrics+deposited+by+spray+pyrolysis+in+air.">Low-voltage ZnO thin-film transistors based on Y2O3 and Al2O3 high-k dielectrics deposited by spray pyrolysis in air.</a> Applied Physics Letters. 98 (12), 123503 (2011).</li><li>Branquinho, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aqueous+combustion+synthesis+of+aluminum+oxide+thin+films+and+application+as+gate+dielectric+in+GZTO+solution-based+TFTs.">Aqueous combustion synthesis of aluminum oxide thin films and application as gate dielectric in GZTO solution-based TFTs.</a> ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (22), 19592-19599 (2014).</li><li>Shan, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-Voltage+High-Stability+InZnO+Thin-Film+Transistor+Using+Ultra-Thin+Solution-Processed+ZrOx+Dielectric.">Low-Voltage High-Stability InZnO Thin-Film Transistor Using Ultra-Thin Solution-Processed ZrOx Dielectric.</a> Journal of Display Technology. 11 (6), 541-546 (2015).</li><li>Lin, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Highly+Controllable+Electrochemical+Anodization+Process+to+Fabricate+Porous+Anodic+Aluminum+Oxide+Membranes.">A Highly Controllable Electrochemical Anodization Process to Fabricate Porous Anodic Aluminum Oxide Membranes.</a> Nanoscale Research Letters. 10 (1), 495 (2015).</li><li>Gomes, T. C., Kumar, D., Fugikawa-Santos, L., Alves, N., Kettle, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+the+Anodization+Processing+for+Aluminum+Oxide+Gate+Dielectrics+in+ZnO+Thin+Film+Transistors+by+Multivariate+Analysis.">Optimization of the Anodization Processing for Aluminum Oxide Gate Dielectrics in ZnO Thin Film Transistors by Multivariate Analysis.</a> ACS Combinatorial Science. , (2019).</li><li>Min, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dual+Gate+Indium-Zinc+Oxide+Thin-Film+Transistors+Based+on+Anodic+Aluminum+Oxide+Gate+Dielectrics.">Dual Gate Indium-Zinc Oxide Thin-Film Transistors Based on Anodic Aluminum Oxide Gate Dielectrics.</a> IEEE Transactions on Electron Devices. 61 (7), 2448-2453 (2014).</li><li>Liu, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Eco-friendly+water-induced+aluminum+oxide+dielectrics+and+their+application+in+a+hybrid+metal+oxide/polymer+TFT.">Eco-friendly water-induced aluminum oxide dielectrics and their application in a hybrid metal oxide/polymer TFT.</a> RSC Advances. 5 (105), 86606-86613 (2015).</li><li>Berndt, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anodization+of+Aluminum+in+Highly+Viscous+Phosphoric+Acid.+PART+2:+Investigation+of+Anodic+Oxide+Formation+and+Dissolution+Rates.">Anodization of Aluminum in Highly Viscous Phosphoric Acid. PART 2: Investigation of Anodic Oxide Formation and Dissolution Rates.</a> International Journal of Electrochemical Science. , 9531-9550 (2018).</li><li>Huang, S. Z., Hwu, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+characterization+and+process+control+of+cost-effective+high-k+aluminum+oxide+gate+dielectrics+prepared+by+anodization+followed+by+furnace+annealing.">Electrical characterization and process control of cost-effective high-k aluminum oxide gate dielectrics prepared by anodization followed by furnace annealing.</a> IEEE Transactions on Electron Devices. 50 (7), 1658-1664 (2003).</li><li>Iino, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organic+Thin-Film+Transistors+on+a+Plastic+Substrate+with+Anodically+Oxidized+High-Dielectric-Constant+Insulators.">Organic Thin-Film Transistors on a Plastic Substrate with Anodically Oxidized High-Dielectric-Constant Insulators.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 42, 299-304 (2003).</li><li>Hickmott, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrolyte+effects+on+charge,+polarization,+and+conduction+in+thin+anodic+Al2O3+films.+I.+Initial+charge+and+temperature-dependent+polarization.">Electrolyte effects on charge, polarization, and conduction in thin anodic Al2O3 films. I. Initial charge and temperature-dependent polarization.</a> Journal of Applied Physics. 102 (9), 093706 (2007).</li><li>Majewski, L. A., Schroeder, R., Grell, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One+Volt+Organic+Transistor.">One Volt Organic Transistor.</a> Advanced Materials. 17 (2), 192-196 (2005).</li><li>Hickmott, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature+dependence+of+the+dielectric+response+of+anodized+Al-Al2O3-metal+capacitors.">Temperature dependence of the dielectric response of anodized Al-Al2O3-metal capacitors.</a> Journal of Applied Physics. 93 (6), 3461-3469 (2003).</li><li>Hickmott, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+states+at+the+anodized+Al2O3-metal+interface.">Interface states at the anodized Al2O3-metal interface.</a> Journal of Applied Physics. 89 (10), 5502-5508 (2001).</li><li>Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. , (2015).</li><li>Ferreira, S. L. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robustness+evaluation+in+analytical+methods+optimized+using+experimental+designs.">Robustness evaluation in analytical methods optimized using experimental designs.</a> Microchemical Journal. 131, 163-169 (2017).</li><li>Nunes, C. A., Freitas, M. P., Pinheiro, A. C. M., Bastos, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemoface:+a+novel+free+user-friendly+interface+for+chemometrics.">Chemoface: a novel free user-friendly interface for chemometrics.</a> Journal of the Brazilian Chemical Society. 23 (11), 2003-2010 (2012).</li></ol>

Der Eloxalisierungsprozess, der zur Gewinnung des Dielektrikums verwendet wird, hat einen starken Einfluss auf die Leistung der hergestellten TFTs, wobei alle geometrischen Parameter und die Fertigungsparameter des Aktiven konstant bleiben. Für die TFT-Mobilität, die einer der wichtigsten Leistungsparameter für TFTs ist, kann sie mehr als 2 Größenordnungen variieren, indem sie die Fertigungsfaktoren in der in Tabelle I angegebenen Spanne ändert. Daher ist die sorgfältige Kontrolle der Eloxalisierungsparameter bei ...

Flexible, gedruckte und großflämliche Elektronik stellen einen aufstrebenden Markt dar, der in den kommenden Jahren Investitionen in Milliardenhöhe anziehen dürfte. Um die Hardware-Anforderungen für die neue Generation von Smartphones, Flachbildschirmen und IoT-Geräten (Internet-of-Things) zu erfüllen, besteht eine große Nachfrage nach Materialien, die leicht, flexibel und mit optischer Durchlässigkeit im sichtbaren Spektrum sind, ohne dabei auf Geschwindigkeit und hohe Leistung zu verzichten. Ein wichtiger Punkt ist die Suche nach Alternativen zu amorphem Silizium (a-Si) als aktives Material der Dünnschichttransistoren (TFTs), die in den Antriebskreisen der meisten aktuellen Aktivmatrix-Displays (AMDs) verwendet werden. a-Si hat eine geringe Kompatibilität zu flexiblen und transparenten Substraten, stellt Einschränkungen bei der Großflächenverarbeitung dar und verfügt über eine Trägermobilität von ca. 1 cm2V-1s-1, die die Anforderungen an Auflösung und Bildwiederholrate für Displays der nächsten Generation nicht erfüllen kann. Halbleitende Metalloxide (SMOs) wie Zinkoxid (ZnO)1,2,3, Indium Zinkoxid (IZO)4,5 und Indium Gallium Zinkoxid (IGZO)6,7 sind gute Kandidaten, um a-Si als aktive Schicht von TFTs zu ersetzen, weil-1sie im sichtbaren Spektrum hochtransparent sind, sind kompatibel zu flexiblen Substraten und großflägter Ablagerung und können Beweglichkeiten bis zu 80 cm-1erreichen. Darüber hinaus können SMOs in einer Vielzahl von Methoden verarbeitet werden: RF Sputtering6 , gepulste Laserabscheidung (PLD)8, chemische Dampfabscheidung (CVD)9, Atomschichtabscheidung (ALD)10, Spin-Coating11, Tintenstrahldruck12 und Sprühpyrolyse13.
Allerdings müssen nur wenige Herausforderungen wie die Kontrolle von Initiierungsdefekten, Luft/UV stimulierte Instabilitäten und die Bildung von Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstellen-Lokalzuständen noch überwunden werden, um die großangelegte Herstellung von Schaltungen aus SMO-basierten TFTs zu ermöglichen. Zu den gewünschten Eigenschaften von Hochleistungs-TFTs gehört der geringe Stromverbrauch, die niedrige Betriebsspannung, der niedrige Gate-Leckstrom, die Schwellenspannungsstabilität und der Breitband-Frequenzbetrieb, die extrem abhängig von der Gate-Dielektrika (und auch der Halbleiter-/Isolatorschnittstelle) sind. In diesem Sinne sind hoch-dielektrische Materialien14,15,16 besonders interessant, da sie große Werte der Kapazität pro Flächeneinheit und niedrige Leckströme mit relativ dünnen Folien liefern. Aluminiumoxid (Al2O3) ist ein vielversprechendes Material für die TFT-Dielektrizitätsschicht, da es eine hohe Dielektrizitätskonstante (von 8 bis 12), eine hohe Dielektrizitätsfestigkeit, einen hohen elektrischen Widerstand, eine hohe thermische Stabilität aufweist und als extrem dünne und gleichmäßige Folien mit mehreren verschiedenen Abscheidungs-/Wachstumstechniken15,17,18,19,20,21verarbeitet werden kann. Darüber hinaus ist Aluminium das dritthäufigste Element in der Erdkruste, was bedeutet, dass es leicht verfügbar und relativ billig im Vergleich zu anderen Elementen, die verwendet werden, um High-k-Dielektrika zu produzieren.
Obwohl die Ablagerung/das Wachstum von Al2O3 dünnen (unter 100 nm) Folien durch Techniken wie HF-Magnetron-Sputtern erfolgreich erreicht werden kann, chemische Dampfabscheidung (CVD), Atomschichtabscheidung (ALD), das Wachstum durch Eloxierung einer dünnen metallischen Al-Schicht17,18,21,22,23,24,25,26 ist aufgrund seiner Einfachheit, niedrigen Kosten, niedrigen Temperatur und Filmdickenregelung im nanometrischen Maßstab besonders interessant für flexible Elektronik. Darüber hinaus hat die Eloxierung ein großes Potenzial für die Walzen-zu-Rolle-Verarbeitung (R2R), die sich leicht an Verarbeitungstechniken anpassen lässt, die bereits auf industrieller Ebene eingesetzt werden, was eine schnelle Hochskalierung ermöglicht.
Al2O3 Wachstum durch Eloxierung von metallischen Al kann durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden
2Al + 3 / 2 02 x Al2O3 (1)
2Al + 3H2O - Al2O3 + 3H2 (2)
wobei der Sauerstoff durch den gelösten Sauerstoff in der Elektrolytlösung oder durch die adsorbierten Moleküle an der Filmoberfläche bereitgestellt wird, während die Wassermoleküle umgehend aus der Elektrolytlösung verfügbar sind. Die eloxierte Filmrauheit (die die TFT-Mobilität durch Trägerstreuung an der Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstelle beeinflusst) und die Dichte der lokalisierten Zustände an der Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstelle (die die TFT-Schwellenspannung und elektrische Hysterese beeinflusst) sind stark von Anodisierungsprozessparametern abhängig, um nur einige zu nennen: den Wassergehalt, die Temperatur und den pH-Wert des Elektrolyten24,27. Andere Faktoren im Zusammenhang mit der Al-Schicht-Abscheidung (wie Verdunstungsrate und Metalldicke) oder nach der Anodisierung (wie Glühen) können auch die elektrische Leistung von hergestellten TFTs beeinflussen. Die Auswirkungen dieser mehrfachen Faktoren auf die Ansprechparameter können untersucht werden, indem jeder Faktor einzeln variiert wird, während alle anderen Faktoren konstant bleiben, was eine extrem zeitaufwändige und ineffiziente Aufgabe ist. Die Versuchsplanung (DOE) hingegen ist eine statistische Methode, die auf der gleichzeitigen Variation mehrerer Parameter basiert, die es ermöglicht, die wichtigsten Faktoren auf einer System-/Geräteleistungsreaktion mithilfe einer relativ reduzierten Anzahl von Experimenten zu identifizieren28.
Kürzlich haben wir eine multivariate Analyse auf Basis eines Plackett-Burman29 DOE verwendet, um die Auswirkungen von Al2O 3-Eloxierungsparametern auf die Leistung von sputterten ZnO TFTs3 18zu analysieren. Die Ergebnisse wurden verwendet, um die wichtigsten Faktoren für mehrere verschiedene Ansprechparameter zu finden und auf die Optimierung der Geräteleistung angewendet, die nur Parameter im Zusammenhang mit dem Eloxierungsprozess der dielektrischen Schicht ändert.
Die aktuelle Arbeit präsentiert das gesamte Protokoll zur Herstellung von TFTs mit eloxierten Al2O3-Folien als Gate Dielektrika sowie eine detaillierte Beschreibung für die Untersuchung des Einflusses der mehrfachen Eloxalisierungsparameter auf die elektrische Leistung des Geräts mit Hilfe eines Plackett-Burman DOE. Die Bedeutung der Auswirkungen auf TFT-Antwortparameter wie die Carrier-Mobilität wird durch die Analyse der Varianz (ANOVA) zu den Ergebnissen der Experimente bestimmt.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1393px;" width="1393">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:299px;">Acetone</td>
			<td style="width:212px;">LabSynth</td>
			<td style="width:161px;">A1017</td>
			<td style="width:721px;">ACS reagent grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Aluminum (Al) Wire Evaporation</td>
			<td style="width:212px;">Kurt J. Lesker Company</td>
			<td style="width:161px;">EVMAL40060</td>
			<td>1.5 mm (0.060&#34;) Dia.; 1lb; 99.99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Ammonium hydroxide solution</td>
			<td style="width:212px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">338818</td>
			<td>ACS reagent, 28.0-30.0% NH3 basis</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:299px;">Chemoface - Software to set a design of experiment (DOE)</td>
			<td style="width:212px;">Federal University of Lavras (UFLA), Brazil</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>Free software developed by Federal University of Lavras (UFLA), Brazil - http://www.ufla.br/chemoface/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Cleaning detergent</td>
			<td style="width:212px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">Alconox</td>
			<td>Alkaline detergent for substrate cleaning</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Ethylene glycol</td>
			<td style="width:212px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">102466</td>
			<td>ReagentPlus, &#8805;99%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Isopropanol</td>
			<td style="width:212px;">LabSynth</td>
			<td style="width:161px;">A1078</td>
			<td>ACS reagent grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Glass substrates</td>
			<td style="width:212px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">CLS294775X50</td>
			<td>Corning microscope slides, plain</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">L-(+)-Tartaric acid</td>
			<td style="width:212px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:161px;">T109</td>
			<td>&#8805;99.5%</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:299px;">Mechanical shadow mask for deposition of the sputtered ZnO active layer</td>
			<td style="width:212px;">Lasertools, Brazil</td>
			<td style="width:161px;">custom mask</td>
			<td>10 mm x 10 mm square.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:299px;">Mechanical shadow mask for TFT gate electrode</td>
			<td style="width:212px;">Lasertools, Brazil</td>
			<td style="width:161px;">custom mask</td>
			<td>25 mm long stripe, 3 mm wide.</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:299px;">Mechanical shadow mask for TFT source/drain electrodes</td>
			<td style="width:212px;">Lasertools, Brazil</td>
			<td style="width:161px;">custom mask</td>
			<td>100 &#181;m stripes, separated by 100 &#181;m gap, overlapping of 5 mm</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:299px;">Plasma cleaner</td>
			<td style="width:212px;">MTI</td>
			<td style="width:161px;">PDC-32G</td>
			<td>Campact plasma cleaner with vacuum pump</td>
		</tr>
		<tr height="51">
			<td height="51" style="height:51px;width:299px;">Sputter coating system</td>
			<td style="width:212px;">HHV</td>
			<td style="width:161px;">Auto 500</td>
			<td>RF sputtering system with thickness and deposition rate control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Stiring plate</td>
			<td style="width:212px;">Sun Valley</td>
			<td style="width:161px;">MS300</td>
			<td>Stiring plate with heating control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Thermal evaporator</td>
			<td style="width:212px;">HHV</td>
			<td style="width:161px;">Auto 306</td>
			<td>it has a high precision sensor for measure the thickness and rate of deposition of thin films</td>
		</tr>
		<tr height="30">
			<td height="30" style="height:30px;width:299px;">Two-channel source-measuring unit</td>
			<td style="width:212px;">Keithley</td>
			<td style="width:161px;">2410</td>
			<td>Keithley model 2410 or similar/for anodization process</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Two-channel source-measuring unit</td>
			<td style="width:212px;">Keithley</td>
			<td style="width:161px;">2612B</td>
			<td>Dual channel source-measure unit (SMU) for TFT measurements</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Ultrasonic bath</td>
			<td style="width:212px;">Soni-tech</td>
			<td style="width:161px;">Soni-top 402A</td>
			<td>Ultrasonic bath with heating control</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:299px;">Zinc Oxide (ZnO) Sputtering Targets</td>
			<td style="width:212px;">Kurt J. Lesker Company</td>
			<td style="width:161px;">EJTZNOX304A3</td>
			<td>3.0&#34; Dia. x 0.250&#34; Thick; 99.9%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the effect of anodization parameters on the aluminum oxide dielectric layer of thin-film transistors

Aluminiumoxid (Al2O3) ist ein kostengünstiges, leicht verarbeitbares und hochdielektrisches konstantes Isoliermaterial, das sich besonders für den Einsatz als Dielektrikumsschicht von Dünnschichttransistoren (TFTs) eignet. Das Wachstum von Aluminium-Oxid-Schichten aus der Eloxierung metallischer Aluminiumfolien ist im Vergleich zu anspruchsvollen Verfahren wie Atomschichtabscheidung (ALD) oder Abscheidungsmethoden, die relativ hohe Temperaturen (über 300 °C) wie wässrige Verbrennung oder Sprühpyrolyse erfordern, von großem Vorteil. Die elektrischen Eigenschaften der Transistoren sind jedoch stark vom Vorhandensein von Defekten und lokalisierten Zuständen an der Halbleiter-/Dielektrizitätsschnittstelle abhängig, die stark von den Fertigungsparametern der eloxierten Dielektrizitätsschicht beeinflusst werden. Um zu bestimmen, wie mehrere Fertigungsparameter die Geräteleistung beeinflussen, ohne alle möglichen Kombinationen von Faktoren durchzuführen, haben wir eine reduzierte Faktoranalyse auf der Grundlage eines Plackett-Burman-Experimentsentwurfs (DOE) verwendet. Die Wahl dieses DOE erlaubt die Verwendung von nur 12 experimentellen Durchläufen von Kombinationen von Faktoren (anstelle aller 256 Möglichkeiten), um die optimierte Geräteleistung zu erhalten. Die Rangfolge der Faktoren nach den Auswirkungen auf Gerätereaktionen wie die TFT-Mobilität ist möglich, indem die Varianzanalyse (ANOVA) auf die erzielten Ergebnisse angewendet wird.

Acht verschiedene Parameter für die Herstellung von Aluminiumoxidschichten wurden als Herstellungsfaktoren verwendet, mit denen wir den Einfluss auf die TFT-Leistung analysierten. Diese Faktoren werden in Tabelle 1aufgezählt, in der die entsprechenden Werte "niedrig" (-1) und "hoch" (+1) für den zweistufigen faktoriellen DOE dargestellt werden.
Der Einfachheit halber wurde jeder Fertigungsfaktor durch einen Großbuchstaben (A, B, C usw.) und die entsprechende "niedrige" ode...

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The Effect of Anodization Parameters on the Aluminum Oxide Dielectric Layer of Thin-Film Transistors

Die Eloxierungsparameter für das Wachstum der Aluminiumoxid-Dielektrizitätsschicht von Zinkoxid-Dünnschichttransistoren (TFTs) werden variiert, um die Auswirkungen auf die elektrischen Parameterreaktionen zu bestimmen. Die Varianzanalyse (ANOVA) wird auf ein Plackett-Burman-Experimentdesign (DOE) angewendet, um die Herstellungsbedingungen zu bestimmen, die zu einer optimierten Geräteleistung führen.

Der Effekt von Eloxierungsparametern auf die Aluminiumoxid-Dielektrikumsschicht von Dünnschichttransistoren

Aluminum-oxide (Al2O3) is a low cost, easily processable and high dielectric constant insulating material that is particularly appropriate for use as the ...

Hier ist die Übersicht des Protokolls. Wir beginnen mit der Zubereitung der elektrolytischen Lösung, dem Mischen von Wasser, Ethylenglykol und Weinsäure. Danach müssen die Substratglasschlitten durch Beschallung in alkalischer Waschmittellösung, Aceton und Isopropanol, gefolgt von HF-Plasmareinigung gereinigt werden.Der Bau des TFT erfolgt durch Ablagerung einer Aluminiumelektrode auf den sauberen Glassubstraten. Gefolgt von der Eloxierung in Aluminiumoxid-Sputtern der Zinkoxid-Aktivschicht und thermischer Verdunstung der Abflussquellenelektroden. Der Aluminium-Eloxalisierungsprozess erfolgt durch Untertauchen des aluminiumbeschichteten Glassubstrats und eines vergoldeten Edelstahlblechs, das mit einer Quellmesseinheit verbunden ist.Der Prozess beginnt mit der Anwendung von Konstantstrom im System mit einer Linearspannung bis zur Endspannung, die die Oxiddicke bestimmt. Daher bleibt die Spannung konstant, bis der Strom im gesamten System auf Null fällt. Die elektrische Charakterisierung der TFTs erfolgt durch Anschluss einer dualen Quellenmesseinheit an die Gate-, Drain- und Quellelektroden.Die Übertragungskurve wird erreicht, indem die Gate-Spannung bei einer konstanten Abflussquellenspannung variiert und der Abflussquellenstrom gemessen wird. Die elektrische Mobilität kann aus der TFT-Transferkurve bestimmt werden. Das Placket-Burman-Design der Experimente wird durch Die Kennzeichnung der Anodisierungsfaktoren durchgeführt, unabhängig davon, welche Fahrt von einem niedrigen auf ein hohes Niveau, bestimmt von den experimentellen Bedingungen.Die Placket-Burman-Matrix besteht aus zwölf experimentellen Durchläufen, die unterschiedlichen Kombinationen der Anodisierungsfaktoren in den vorgegebenen Ebenen entsprechen. Wir präsentieren hier in einem Protokoll, um die Zinkoxid-Zinn-gefüllten Transistoren mit eloxiertem Aluminiumoxid als Gate-Dielektrikumzulage zu bauen. Wir zeigen, dass es möglich ist, die Leistung von TFTS zu optimieren, indem nur die Anodisierungsprozessparameter der Gate-Dielektrika variiert werden.Die elektrolytische Lösung wird durch Mischen von 84 ml Ethylenglykol in 1,5 g Weinsäure hergestellt. Fügen Sie daher 16 ml entionisiertes Wasser in die Lösung ein, schütteln Sie die Lösung vorsichtig. Danach die Lösung ca. 30 Minuten rühren, bis die Weinsäure vollständig aufgelöst ist.Bereiten Sie zwei Lagerlösungen aus Ammoniakhydroxid vor, um den pH-Wert des Elektrolyten einzustellen. Die konzentriertere Lösung kann etwa 28% und die weniger konzentriert etwa 2%Machen Sie die grobe Anpassung des pH-Wertes mit der konzentrierteren Ammoniumhydroxid-Lösung. Wenn der pH-Wert nahe am gewünschten Wert, fünf oder sechs, liegt, verwenden Sie die weniger konzentrierte Lösung, um den pH-Wert fein einzustellen.Die Substratreinigung beginnt mit der Beschallung der Glassubstrate in alkalischer Waschmittellösung, 5% volumenmäßig bei 16 Grad Celsius für 50 Minuten. Danach werden die Substrate reichlich in entionisiertem Wasser vorgespült, um Rückstände zu entfernen. Trocknen Sie das Substrat, indem Sie mit sauberer, trockener Luft oder Stickstoff blasen.Die getrockneten Substrate werden fünf Minuten lang wieder in Aceton beschallt. Von Aceton entfernen und in sauberer trockener Luft oder Stickstoff wieder trocknen. Erneut in Isopropanol für fünf Minuten beschallen.Von Isopropanol nehmen und den Trocknungsvorgang wiederholen. Die Substrate in einen HF-Plasmareiniger laden und die Kammer evakuieren. Wenn vakuumerreicht ist, schalten Sie den HF bei mittlerer Leistung ein und lassen Sie ihn fünf Minuten zurück, um den Reinigungsvorgang abzuschließen.Entfernen Sie die Substrate aus dem Plasmareiniger und laden Sie sie in einen Probenhalter mit geeigneten Schattenmasken für die thermische Verdunstung der Aluminiumtorelektrode. Die Schattenmaske ist ein Edelstahl-Laser-Schnittblech, das den Aluminium-Torelektrodenbereich bestimmt. Setzen Sie die Glasgleitet in die thermische Verdampfungskammer ein und starten Sie das Abscheidungsverfahren.Legen Sie die Aluminium-Torelektrode mit feiner Kontrolle der Verdunstungsrate und der Enddicke der Folie ab. Entfernen Sie nach der Verdunstung die Proben aus der Kammer. Und überprüfen Sie, ob die Elektroden ordnungsgemäß abgelagert wurden.Die Eloxierung der Aluminium-Torelektrode beginnt mit dem Anschluss des aluminiumbeschichteten Glasschlittens und des vergoldeten Edelstahlblechs an die Clip-Steckverbinder. Daher werden die Elektroden in die elektrolytische Lösung eingetaucht und die Kabel an die Source-Measure Unit angeschlossen. Tragen Sie konstanten Strom auf die Elektroden auf.Der Spannungsabfall muss linear zunehmen, was zeigt, dass das Aluminiumoxidwachstum richtig auftritt. Wenn die festgelegte Endspannung erreicht ist, schalten Sie den SMU in den konstanten Spannungsmodus und warten Sie, bis der Strom auf Null fällt. Nach Abschluss des Eloxierungsverfahrens das Substrat in entionisiertem Wasser reichlich abspülen.Und beenden durch Trocknen des Substrats in trockene, saubere Luft oder Stickstoff. Die Abscheidung der transistoraktiven Schicht erfolgt durch Einsetzen des Substrats mit der eloxierten Aluminiumoxidschicht in entsprechende Schattenmasken. Die Masken würden die selektive Abdeckung von Zinkoxid während der Sputterablagerung ermöglichen.Fügen Sie die Proben in diese Sputterkammer ein und initiieren Sie den Abscheidungsprozess. Steuern Sie die Sputterabscheidungsrate und die endgültige Dicke der aktiven TFT-Schicht. Nach dem Sputtern der Ablagerung die Proben aus der Kammer entfernen und für die thermische Verdunstung der Abfluss- und Quellelektroden vorbereiten.Die Transistorfertigung wird durch Verdampfen des Aluminiumabflusses und der Quellelektroden durch thermische Verdunstung mit geeigneten Schattenmasken abgeschlossen. Das verwendete Maskendesign ermöglicht die Herstellung von drei Transistoren in jedem Substrat. Setzen Sie die Proben in die Verdampfungskammer ein und leiten Sie das Abscheidungsverfahren ein.Nach der Verdampfung des Aluminiumabflusses und der Quellelektroden entfernen Sie die Proben aus der Kammer. Entfernen Sie die Proben aus den Masken und überprüfen Sie die Elektroden. Die Transistoren sind bereit für die elektrische Charakterisierung.Die elektrische Charakterisierung der TFT erfolgt durch den Kontakt zu den Abfluss-, Quell- und Gateelektroden mittels Federsondenkonnektoren. Die Elektroden sind daher mit einer Dual-Channel-Quelle und Messeinheit verbunden. Die Transistor-Kennlinien werden durch Polarisieren der Abfluss- und Quellelektroden sowie der Torelektrode und Messung des Kanalstroms ermittelt.Die Analyse der elektrischen TFT-Parameter erfolgt durch Plotten der TFT-Übertragungskurve und der Quadratwurzel des Abflussstroms in Abhängigkeit von der Torspannung. Die Steigung der Kurve ermöglicht die Bestimmung der Gerätemobilität. Das Abfangen der Steigung der Kurve mit der X-Achse definiert die TFT-Schwellenspannung.Die Analyse der Ergebnisse, die die Krümmung der Placket-Burman-Versuchsplanung erhalten hat, kann von einer Analysesoftware wie Chemoface durchgeführt werden. Wählen Sie den experimentellen Entwurf und geben Sie mit den Eingabedaten ein. Berechnen Sie daher die entsprechenden Effekte für jeden Anodisierungsparameter und analysieren Sie die Ergebnisse, indem Sie die Daten in einem Pareto-Diagramm mit Effekten zeichnen.Mit dem Pareto-Diagramm können Sie die Eloxierungsfaktoren nach dem Effekt auf einen bestimmten Geräteantwortparameter wie der TFT-Mobilität einordnen. Placket-Burman ist also aus verschiedenen Gründen nützlich. Erstens können Sie damit eine Reihe verschiedener Faktoren systematisch und gleichzeitig untersuchen.Und mit statistischen Ansätzen wie ANOVA und Regression können Sie die wichtigsten Faktoren und die am wenigsten signifikanten Faktoren, die den Eloxalisierungsprozess beeinflussen, quantifizieren und verstehen. Daher denken wir, dass der Placket-Burman-Ansatz in der gedruckten Elektronik sehr wertvoll ist. Es ermöglicht Ihnen, schnell und effektiv eine Reihe von verschiedenen Faktoren zu überprüfen und die Faktoren sehr systematisch und schnell zu optimieren.Obwohl wir diesen Ansatz für die Eloxierung entwickelt haben, könnte er in vielen anderen Bereichen der gedruckten elektronischen Entwicklung verwendet werden.

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