Μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων διατάξεων λεπτού υμενίου

Abstract

Aim of the present thesis was to investigate the role of polycrystalline material properties on the electrical behaviour of polysilicon TFTs. The electrical properties have been investigated by the analysis of the transfer and the transient characteristics of TFTs in the linear operation regime. The transfer characteristics analysis reveal that although the influence of grain boundaries and extended defects on the transport properties could be minimized by the use of the properly orientation, their presence was found to determine the device performance through thermal activation of carriers. The activation energy of the thermally activated parameters was found to be material related. The undershoot effect in poly-Si TFTs occurs when the device gate is switched from strong to weak or moderate inversion. The analysis of the undershoot currents suggest the trapping and emission of electrons in the band gap states as the responsible mechanism. Both trapping and emission processes were found to obey the stretched exponential law, while thermally activated time constants, with material related activation energies, were obtained. Based on the understanding of the transient currents in polycrystalline silicon TFTs, a new approach for experimental determination of band gap states density (DOS), by Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS), has been presented. An asymmetric U-shaped distribution of states in the band gap has been obtained. The results are in agreement with theoretical predictions and others experimental observations. The temperature analysis of the transfer characteristics has been also implemented in the investigation of the effects of α-particles irradiation on the electrical properties of the devices. As indicated by the thermally activated parameters, generation of states deep in the band gap usually attributed to dangling or floating bonds, is responsible for the device degradation. Furthermore a negative threshold voltage shift is observed attributed to positively charged oxygen vacancies in SiO2 introduced by irradiation Finally the role of back gate on the front channel operation of p-channel double gate devices has been investigated. The results suggest that the presence of back gate can adjust significantly the front gate parameters and also control their temperature dependence allowing the desirable electrical behaviour of double gate TFTs in wide temperature range.

Η διδακτορική διατριβή είχε ως στόχο τη μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων (30nm, 50nm, 100nm) πολυκρυσταλλικού πυριτίου που είχαν δομηθεί με διάφορες μεθόδους ανόπτησης με λέιζερ και της επίδρασης των ιδιοτήτων των υμενίων στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά διατάξεων TFT (Thin Film Transistor).Η μελέτη πραγματοπoιήθηκε με τη καταγραφή και ανάλυση των στατικών χαρακτηριστικών και μεταβατικών ρευμάτων τύπου overshoot και τύπου undershoot, στη γραμμική περιοχή λειτουργίας και για θερμοκρασίες από 120 έως 440 Κ. Η θερμοκρασιακή εξάρτηση των μεγεθών που προέκυψαν από τις χαρακτηριστικές IDS-VGS καμπύλες όπως το ρεύμα διαρροής, η υποκατώφλια κλίση, η τάση κατωφλίου και η ευκινησία, ανέδειξαν την ύπαρξη θερμικά διεγειρόμενων μηχανισμών, υποβοηθούμενων από τις καταστάσεις του χάσματος. Οι μηχανισμοί αυτοί παρουσιάζουν χαρακτηριστική ενέργεια ενεργοποίησης και θερμοκρασία κατωφλίου, που υπολογίστηκε σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας της διάταξης (OFF, Sub-threshold, ON). Η παραπάνω τάση επιβεβαιώθηκε από την ανάλυση του μεταβατικού ρεύματος τύπου overshoot. Επιπλέον η καταγραφή και μοντελοποίηση του μεταβατικού φαινομένου undershoot στην περίπτωση των πολυκρυσταλλικών TFTs ανέδειξε επιπλέον πληροφορίες για τη φυσική των καταστάσεων του χάσματος, καθώς αποδόθηκε στη σύλληψη και σταδιακή εκπομπή φορέων στις καταστάσεις αυτές. Η σύγκριση της εξάρτησης των στατικών χαρακτηριστικών και της μεταβατικής απόκρισης από τη θερμοκρασία, οδήγησε στην ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον προσδιορισμό της κατανομής των ατελειών στο ενεργειακό χάσμα με την εφαρμογή της μεθόδου “φασματοσκοπία βαθέων σταθμών” (DLTS). Τα αποτελέσματα έρχονται σε συμφωνία με θεωρητικά μοντέλα αλλά και με άλλες κοινώς αποδεκτές πειραματικές τεχνικές. Επιπλέον η επίδραση των ατελειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων μελετήθηκε και με την ανάλυση της επίδρασης ιονίζουσας σωματιδιακής ακτινοβολίας, σωματίων α. Η ανάλυση των παραμέτρων συναρτήσει της θερμοκρασίας ανέδειξε μεταβολή στην ενέργεια ενεργοποίησης των θερμικά διεγειρόμενων μηχανισμών υποδηλώνοντας ως μηχανισμό υποβάθμισης των διατάξεων τη δημιουργία ακόρεστων δεσμών στο υμένιο. Τέλος μελετήθηκαν νέες διατάξεις με δύο πύλες οι οποίες έλεγχαν την πρόσθια και οπίσθια διεπιφάνεια του υμενίου. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν πως με κατάλληλη εφαρμογή τάσης στη πίσω πύλη είναι δυνατό να οριστεί με ακρίβεια η τάση κατωφλίου και η θερμοκρασιακή εξάρτηση των παραμέτρων της επάνω πύλης.