Ανάπτυξη μοντέλων τρανζίστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου σε πρόγραμμα προσομοίωσης κυκλωμάτων (Spice) - σχεδιασμός κυκλωμάτων TFTs

Abstract

For more than four decades, Cathode Ray Tube (CRT) Displays have been the dominant display technology providing very attractive performance. Brightness, contrast ratio, high image quality, speed and resolution were the main high standard specifications that CRTs were satisfied. The last two decades, there was a tremendous growth in small portable applications which required the necessary adjustment of the display technology to them. The large depth of the CRTs was the main disadvantage for preventing them to be used in these kinds of applications. Flat Panel Displays seem to be the most attractive solution to this problem. Displays engineers searched for many years in order to find the suitable flat panel display technologies that could replace CRT displays. The first successfully established flat panel technology was the plasma displays, which demonstrated to be of larger size and higher image quality compared to the CRT technology. However, the problem with the integration of plasma displays in small portable applications still exists. Finally, the inroad of the thin-film transistors liquid crystal displays (TFT-LCD), in late 1990’s, was a milestone in the displays industry and technology. The successful development of the TFT-LCDs was achieved not accidentally. It was the sequence of the liquid crystal cell technology development, in combination with the development of semiconductors technologies for large-area microelectronics on glass, like thin-film transistors. Although, both technologies were very-well known before the 90’s, an extended research for establishing compatible fabrication processes for the materials and the manufacturing equipment has led to the TFT-LCDs realization. TFT-LCDs were rapidly grown and dominated the displays industry, especially in small portable applications. The implementation of the TFT-LCD panel peripheral driving components with low-power CMOS blocks and, therefore, the compatibility with battery operation was the main reason for the ascendance of the TFT-LCD technology in small portable applications. Today, the TFT-LCD market has been expanded. They can be used in an extremely wide range of our everyday life products, like mobile phone applications, ATMs, PDAs, navigation systems, notebook PCs and home applications, such as wide screen TVs. During the last years, a new type of flat panel displays has been proposed and developed. This type was based on the design of pixels by using Organic Light Emitting Diodes (OLEDs). The main advantage of the OLED displays is that the OLED are selfemitting devices and therefore, no back-light source is needed. The absent of the light source leads to the decrease of the display width. The emitting light of the OLED device is corresponding to the current that flows through the device. So, the OLED device is current driven device. In the past twenty years, the development of Thin-Film Transistors (TFTs) has become the spearhead of the electronic flat panel displays industry. However, the generation of TFTs is originated many years before, back to the earliest days of semiconductors physics. The TFTs principals and their potential utilities were settled nearly seventy years ago, but the remarkable development of the bipolar transistors and their technological cousin, the metal oxide semiconductor field-effective transistors (MOSFETs), has overshadowed the TFTs concept. The TFTs devices are separated, according the active layer material. Thereby, Hydrogenated Amorphous Silicon Thin- Film Transistors (a:H-Si TFT), Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor (poly-Si TFTs), nano-crystalline silicon (nc-Si TFTs) and Organic Thin-Film Transistor (O - TFTs) TFT devices exist. The main disadvantage of the TFTs technologies is the instability of the device electrical characteristics, like threshold voltage and carriers mobility, which have been described in a previous paragraph. These instabilities provoke the repeated implementation of the circuit blocks with constant specifications and identical performance, even if the blocks are placed on the same wafer. In digital blocks, the impact of the parameters variations is negligible due to the fact that TFTs are switching elements. ..........................................................................................................................................................

Για περισσότερες από 4 δεκαετίες, οι οθόνες καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube – CRT) ήταν αυτές που κυριάρχησαν ολοκληρωτικά στη βιομηχανία οθονών καθώς είχαν αξιοσημείωτες επιδόσεις. Η φωτεινότητα, ο λόγος αντίθεσης, η υψηλής ποιότητας εικόνες, η μεγάλη ταχύτητα και ευκρίνεια ήταν τα κύρια χαρακτηριστικά που καθιέρωσαν τις οθόνες CRT. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, υπήρξε μια αλματώδης ανάπτυξη μικρών, φορητών συσκευών όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι φορητοί υπολογιστές (laptops) και τα PDA, οι οποίες απαιτούσαν την προσαρμογή των οθονών στις απαιτήσεις τους. Ο μεγάλος όγκος ήταν το κυριότερο μειονέκτημα των CRT οθονών, το οποίο τις εμπόδιζε να χρησιμοποιηθούν σε αυτού του είδους τις συσκευές. Έτσι, έπρεπε να βρεθούν νέου τύπου οθόνες για να αντικαταστήσουν τις CRT. Η πιο ελκυστική λύση που εμφανίστηκε, ήταν οι επίπεδες οθόνες έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο όγκος που καταλαμβάνουν οι οθόνες στα συστήματα. Η τεχνολογία των επίπεδων οθονών έχει κάνει τεράστια άλματα την τελευταία δεκαετία και έχει κυριαρχήσει σε όλα τα ηλεκτρονικά, από τα κινητά τηλέφωνα και τους φορητούς υπολογιστές, μέχρι και στα οικιακά ηλεκτρονικά και στις μεγάλες τηλεοράσεις. Το πιο σημαντικό είδος επίπεδων οθονών ήταν αυτές των υγρών κρυστάλλων, με τις οποίες υλοποιήθηκαν οθόνες μεγάλων διαστάσεων, με πάρα πολύ καλά χαρακτηριστικά (ευκρίνεια, φωτεινότητα, αντίθεση κ.α.). Οι οθόνες υγρών κρυστάλλων είναι ετερόφωτες και απαιτείται η χρήση μιας πηγής φωτός στο πίσω μέρος της οθόνης. Ένα νέο είδος επίπεδων οθονών, που αναμένεται να φέρει επανάσταση, είναι αυτές που υλοποιούνται με οργανικές φωτοδιόδους (Organic Light Emitting Diodes – OLEDs). Οι οθόνες αυτές θα είναι μικρότερου πάχους, με ακόμα καλύτερα χαρακτηριστικά γιατί οι οθόνες αυτές είναι αυτόφωτες. Επίσης, οι οθόνες φωτοδιόδων μπορούν να υλοποιηθούν σε πλαστικά υποστρώματα και έτσι να οδηγηθούμε σε εύκαμπτες οθόνες. Η ραγδαία ανάπτυξη των επίπεδων οθονών δε θα μπορούσε να υπάρξει αν πρώτα δεν υπήρχε μια εξίσου σημαντική ανάπτυξη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου (Thin Film Transistors – TFTs). Τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου μοιάζουν πολύ με τα συμβατικά τρανζίστορ MOSFETs, τόσο στη λειτουργία τους όσο και στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Παρόλο τις ομοιότητες, υπάρχουν και σημαντικές διαφορές που πηγάζουν από το διαφορετικό υπόστρωμα των TFTs. Σε αντίθεση με τα τυπικά MOSFETs, που έχουν σαν υπόστρωμα μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το υπόστρωμα των TFT είναι ένα μονωτικό υλικό, συνήθως γυαλί. Η διαφάνεια του γυάλινου υποστρώματος υπήρξε ένας από τους κυριότερους λόγους χρησιμοποίησης των TFTs στη βιομηχανία οθονών, διότι το φως θα μπορούσε εύκολα να διαπεράσει τη γυάλινη επιφάνεια και να φτάσει στον θεατή. Τα TFTs έχουν τρεις ακροδέκτες: πύλη (gate – G), πηγή (source – S) και απαγωγό (drain – D) και η εφαρμοζόμενη, στην πύλη, τάση ελέγχει τη συγκέντρωση των φορέων στο λεπτό, ενεργό, ημιαγωγικό υμένιο που υπάρχει μεταξύ πηγής και απαγωγού. Ανάλογα με το υλικό πυριτίου, από το οποίο είναι κατασκευασμένο το λεπτό υμένιο (ενεργό κανάλι), τα TFTs χωρίζονται σε διαφόρους τύπους. Έτσι υπάρχουν τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου άμορφου υδρογονομένου πυριτίου (Hydrogenated Amorphous Silicon Thin-Film Transistors a:H-Si TFT), τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor poly-Si TFTs), τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου νανο-κρυσταλλικού πυριτίου (nano-crystalline silicon nc-Si TFTs) και τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί τα τρανζίστορ οργανικού λεπτού υμενίου (Organic Thin-Film Transistor Organic TFTs). Κάθε είδος TFT έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του, τα οποία πηγάζουν ακριβώς από τα χαρακτηριστικά του υλικού του καναλιού. Από τα είδη των TFTs, τα άμορφου και πολυκρυσταλλικού πυριτίου TFTs είναι αυτά που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία οθονών. Το κίνητρο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου πυριτίου ξεκινώντας από το χαμηλότερο επίπεδο, που είναι το ίδιο το τρανζίστορ και η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του, μέχρι και το ανώτερο επίπεδο που είναι ο σχεδιασμός κυκλωμάτων για επίπεδες οθόνες. Τα είδη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου που εξετάστηκαν ήταν τα πολυκρυσταλλικά και τα νανο-κρυσταλλικά TFTs. ..........................................