Χαρακτηρισμός και μοντέλα τρανζίστορ λεπτών υμενίων βιομηχανικής παραγωγής: τεχνολογία πολυκρυσταλλικού και μκροκρυσταλλικού πυριτίου χαμηλής θερμοκρασίας

Abstract

In the active matrix liquid crystal display industry the latest achievements is the increase of the display dimensions, the resolution and the reduction of the production cost. The first is achieved by increasing the dimensions of the surface of the deposition systems. The thin-film transistors (TFTs) that are used as switching elements in the driver circuits of the liquid crystal displays, are usually manyfactured by hydrogenated amorpous silicon (a-Si:H) because it can be deposited at lower temperatures, on larger surfaces and on cheaper glass substrates. However, the low carrier mobility and the poor stability that the a-Si:H TFTs have, makes them unsuitable for the integration of the driver circuits with the displays. The thin-film transistors have higher stability and carrier mobility and this makes them better choise for high speed, intrinsic stability and higher resolution displays. The disadvantage is the higher temperature that is needed for the crystallization of a-Si:H and the expensive glass substrates, which increases the production cost. The hydrogenated nanocrystalline thin film transistors (nc-Si:H) have been proposed as alternative material for the a-Si:H and polycrystalline silicon because they can be deposited in large area and at low temperature (250-400 °C) by using different deposition techniques. In addition, this material has better stability under light and electrical stress, in comparison with a-Si:H. Until today, for the production of the TFTs have been used nc-Si:H thin films at low temperature in basic research small deposition systems and have been produced transistors with better transfer properties than a-Si:H transistors. In addition, in the international bibliography have been reported TFTs with high carrier mobility and high stability under electrical stress. So, it is a challenge to maintain these electrical properties of the TFTs in industrial systems and keep the low deposition temperature over large area, so that low cost glass substrates will be used. For the research for this thesis, at the beginning bottom gate n-channel nc-Si:H TFTs have been studied. The large drain leakage current is the main disadvantage and extended research has shown that it increases with the absolute value of the gate voltage and is produced at the drain junction. It has been found that it consists by two basic mechansms, the Poole-Frenkel (PF) at the low electric fields and the band-to-band tunneling effect.at the high electric fields. The effect of the channel dimensions on the electric properties of the TFTs was investigated at the next stage. Experimental measurements of the transfer and output characteristics of the bottom gate n-channel nc-Si:H TFTs showed that there are two conduction channels. The front conduction channel is at the interface nc-Si/SiNx which is closer to the gate terminal and the back conduction channel is at the nc-Si/SiNx interface which is closer to the source and drain terminals. Investigating the dependence on the channel length on similar devices, it was found that reducing the length from 20 to 2 μm, the thereshold voltage and the characteristic slope of the back interface conduction are increased, whereas the electron mobility is decreased. Contrary to the back interface conduction slope, the front interface slope remains unchanged, independent of the channel dimensions. The overall results suggest that in order to suppress the back channel conduction, it is necessary to reduce the nc-Si film thickness to ensure full film depletion with negative bias applied to the gate. To reduce the leakage current of the TFTs that is observed mainly at the negative gate voltages, transistors with two layers as active channels were made These TFTs had a bilayer nc-Si:H/a-Si:H n-channel with gate at the back side. The improvement was the additional a-Si:H layer that was deposited between the nc-Si:H layer and the drain and source contacts. To study the energy distribution of the traps in the material, low frequency noise measurements were taken and revealed a 1/f noise which is originated in the carrier number fluctuations in the linear region of operation of the TFTs. For the devices with long channel (L=20μm) the observed 1/Id variation for the normalized drain current noise at low currents is following the Hooge’s mobility fluctuations model. dominate at low drain currents. At high drain currents, the normalized drain current noise density behaviour indicates the dominance of the 1/f noise generated in the series resistance. The dependence of the behaviour of the nc-Si:H/a-Si:H bilayer TFTs on the channel dimensions was investigated and was found that the leakage current and the back channel conduction were improved due to the presence of the second a-Si:H layer. ........................................................................................................................................................

Οι τελευταίες εξελίξεις στη βιομηχανία οθονών είναι η ραγδαία αύξηση του μεγέθους και της ανάλυσης των επίπεδων οθονών απεικόνισης υγρών κρυστάλλων καθώς και η μείωση του κόστους. Το πρώτο επιτυγχάνεται κατά ένα μέρος αυξάνοντας την επιφάνεια εναπόθεσης των συστημάτων ανάπτυξης. Τα τρανζίστορ λεπτών υμενίων (Thin Film Transistors, TFTs) που χρησιμοποιούνται ως στοιχεία διακοπτών και ως στοιχεία για τα περιφερειακά ηλεκτρονικά κυκλώματα των επίπεδων οθονών υγρών κρυστάλλων, συνήθως κατασκευάζονται από υδρογονωμένο άμορφο πυρίτιο (a-Si:H) επειδή το υλικό αυτό μπορεί να εναποτεθεί εύκολα σε χαμηλή θερμοκρασία και σε μεγάλη έκταση πάνω σε φθηνά υποστρώματα γυαλιού. Όμως, η χαμηλή ευκινησία των φορέων και η φτωχή σταθερότητα που παρουσιάζουν τα TFTs a-Si:H, δεν καθιστούν την τεχνολογία του αμόρφου πυριτίου ικανή για την ολοκλήρωση των κυκλωμάτων οδήγησης των TFTs στις οθόνες απεικόνισης. Τα TFTs υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν μεγαλύτερη ευστάθεια και ευκινησία φορέων, οπότε είναι κατάλληλα για οθόνες απεικόνισης μεγαλύτερης ταχύτητας, ενδογενούς σταθερότητας και υψηλότερης ανάλυσης. Το μειονέκτημα βρίσκεται στην υψηλή θερμοκρασία που απαιτείται για την κρυσταλλοποίηση του a-Si:H σε ακριβά υποστρώματα γυαλιού (quartz), γεγονός που αυξάνει το κόστος παραγωγής. Τα υδρογονωμένα υμένια νανοκρυσταλλικού πυριτίου (nc-Si:H) έχουν προταθεί ως εναλλακτικά υλικά των a-Si:H και πολυκρυσταλλικού πυριτίου διότι μπορούν να εναποθετηθούν σε μεγάλη επιφάνεια και σε χαμηλή θερμοκρασία (250-400 °C) χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές εναπόθεσης. Ταυτόχρονα, τα υλικά αυτά παρουσιάζουν καλύτερη σταθερότητα με την επίδραση φωτός ή ηλεκτρικής καταπόνησης συγκριτικά με το a-Si:H. Μέχρι σήμερα, για την κατασκευή TFTs έχουν αναπτυχθεί λεπτά υμένια nc-Si:H σε χαμηλή θερμοκρασία και με ιδιότητες μεταφοράς καλύτερες από αυτές του αμόρφου πυριτίου, χρησιμοποιώντας μικρά συστήματα ανάπτυξης υμενίων για βασική έρευνα. Επιπλέον, στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν αναφερθεί TFTs με τέτοια υψηλή ευκινησία φορέων, συνοδευόμενη με εξαιρετική σταθερότητα υπό την επίδραση ηλεκτρικής καταπόνησης. Επομένως, αποτελεί πρόκληση η διατήρηση αυτών των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των TFTs χρησιμοποιώντας βιομηχανικό σύστημα παραγωγής και διατηρώντας ταυτόχρονα χαμηλές θερμοκρασίες εναπόθεσης σε μεγάλη επιφάνεια, ώστε η διαδικασία παρασκευής να είναι συμβατή με υποστρώματα γυαλιού χαμηλού κόστους. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν αρχικά τρανζίστορ λεπτών υμενίων n-καναλιού από ένα μόνο στρώμα nc-Si:H με πύλη από την κάτω πλευρά. Το μεγάλο ρεύμα διαρροής αποτελεί μεγάλο μειονέκτημα και εκτενής μελέτη του έδειξε ότι αυξάνει με την απόλυτη τιμή του δυναμικού πύλης και δημιουργείται στην επαφή του απαγωγού. Οφείλεται σε δύο βασικούς μηχανισμούς, την εκπομπή Poole-Frenkel, (PF) στα ηλεκτρικά πεδία χαμηλής έντασης και στο φαινόμενο «κβαντομηχανικής διάτρησης» από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας στα ηλεκτρικά πεδία μεγάλης έντασης. Η μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων σε σχέση με τις διαστάσεις των διατάξεων ήταν το επόμενο αντικείμενο μελέτης. Μετρήσεις χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου στα τρανζίστορ TFTs n-καναλιού nc-Si με πύλη από την κάτω πλευρά έδειξαν ότι υπάρχουν δύο κανάλια αγωγιμότητας, στην εμπρός και στη πίσω διεπιφάνεια. Εξετάζοντας την εξάρτηση από το μήκος του καναλιού, για όμοιες διατάξεις με ίδιο πλάτος καναλιού βρέθηκε ότι καθώς το μήκος του καναλιού μειώνεται από 20 στα 2 μm, το δυναμικό κατωφλίου και η κλίση της χαρακτηριστικής εισόδου που αντιστοιχεί στην αγωγιμότητα του πίσω καναλιού αυξάνονται αλλά η ευκινησία των ηλεκτρονίων μειώνεται. Σε αντίθεση με την κλίση της αγωγιμότητας του πίσω καναλιού, η κλίση της αγωγιμότητας του εμπρός καναλιού παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από τις διαστάσεις του καναλιού. Επομένως, για τον καλύτερο έλεγχο της αγωγιμότητας του πίσω καναλιού, είναι αναγκαίο να μειωθεί το πάχος του στρώματος του nc-Si και να επιτευχθεί πλήρης κένωση φορέων για αρνητικές τιμές πόλωσης της πύλης. Με σκοπό τη μείωση του ρεύματος διαρροής που εμφανίζεται σε αρνητικές τάσεις πόλωσης της πύλης, κατασκευάστηκαν τρανζίστορ TFTs διστρωματικού n-καναλιού nc-Si:H/a-Si:H με την πύλη από την κάτω πλευρά. Η βελτίωση σε σχέση με τα προηγούμενα τρανζίστορ βρίσκεται στο κανάλι που αποτελείται από δύο στρώματα. Το πρώτο στρώμα που βρίσκεται κοντά στην πύλη είναι από λεπτά υμένια nc-Si και μεταξύ αυτού και των επαφών του απαγωγού και της πηγής προστέθηκε ένα στρώμα a-Si. ............................................................................................................................................................