ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΑΡΓΥΡΙΟΥ Θ. ΧΑΤΖΟΠΟΥΛΟΥ Πτυχιούχου Φυσικού, M.Sc. «Ηλεκτρονικής Φυσικής» Χαρακτηρισμός και μοντέλα τρανζίστορ λεπτών υμενίων βιομηχανικής παραγωγής: Τεχνολογία πολυκρυσταλλικού και μικροκρυσταλλικού πυριτίου χαμηλής θερμοκρασίας Επιβλέπων της διατριβής: Χαράλαμπος Δημητριάδης Τριμελής επιτροπή 1. Χ. Δημητριάδης 2. Λ. Παπαδημητρίου 3. Σ. Σίσκος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Σεπτέμβριος 2008

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμότατα τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Χαράλαμπο Δημητριάδη, ο οποίος μου έδωσε την δυνατότητα να εκπονήσω αυτή την διατριβή, με καθοδηγούσε συνεχώς σε όλα τα στάδια και παρείχε λύσεις σε ορισμένα κρίσιμα προβλήματα που παρουσιάστηκαν στην πορεία της διατριβής. Επίσης, χάρη στην πολυετή του εργασία σε αυτό το θεματικό πεδίο και στις επαφές του, εξασφάλισε δείγματα από δύο εταιρίες του εξωτερικού και μπόρεσα να υλοποιήσω την εργασία μου. Ακόμη, θέλω να τον ευχαριστήσω διότι μου παρείχε μεγάλη οικονομική υποστήριξη μέσω της ένταξης της διατριβής σε ερευνητικά προγράμματα και έδειξε πολύ μεγάλη υπομονή κατά την μεγάλη διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς επιτροπής, τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Λ. Παπαδημητρίου και τον αναπληρωτή καθηγητή κ. Σ. Σίσκο. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω την εταιρία SEIKO-EPSON και τον ερευνητή της κ. Μ. Miyasaka για την προμήθεια των διατάξεων TFTs υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου που χρησιμοποιήθηκαν στην διατριβή. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω την εταιρία UNAXIS και τον κ. F. Templier (CEA-LETI, Grenoble) για την κατασκευή των TFTs υμενίων νανοκρυσταλλικού και άμορφου πυριτίου. Ευχαριστώ τον ομότιμο καθηγητή του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κ. Ι. Στοϊμένο για τα αποτελέσματα της δομικής ανάλυσης των υμενίων νανοκρυσταλλικού πυριτίου που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των διατάξεων, τον κ. Ν. Χαστά, τον κ. Ν. Αρπατζάνη, τον κ. Δ. Τάσση και τον κ. Α. Τσορμπατζόγλου για την βοήθεια τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης κ. Ν. Γεωργουλά και τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ν. Άρχοντα για την θεωρητική προσομοίωση και επαλήθευση ορισμένων πειραματικών αποτελεσμάτων. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης για την οικονομική μου ενίσχυση μου με την χρηματοδότηση του ερευνητικού έργου ΠΕΝΕΔ 2003 (03ΕΔ 709). 2

3 Στα πλαίσια της διατριβής πραγματοποιήθηκαν οι παρακάτω δημοσιεύσεις. 1. Change in Transfer and Low Frequency Noise Characteristics of n-channel Polysilicon Thin-Film Transistors Due to Hot-Carrier Degradation, A.T. Hatzopoulos N. Archontas, N.A. Hastas, C.A. Dimitriadis, G. Kamarinos, N. Georgoulas, A. Thanailakis, IEEE Electron Device Letters 25, n.6, p.390, Anomalous Hot-Carrier Induced Degradation of Offset Gated Polycrystalline Silicon thin-film transistors A.T. Hatzopoulos, C.A. Dimitriadis, G. Panakakis, G. Ghibaudo, G. Kamarinos, Applied Physics Letters vol.84, n.16, p.3163, Study of the Drain Leakage Current in Bottom-Gated Nanocrystalline Silicon Thin-Film Transistors by Conduction and Low-Frequency Noise Measurements A.T. Hatzopoulos, N. Arpatzanis, D.H. Tassis, C.A. Dimitriadis, M. Oudwan, F. Templier, G. Kamarinos, IEEE Transactions on Electron Devices vol.54, n.5, Electrical and noise characterization of bottom-gated nanocrystalline silicon thinfilm transistors A.T. Hatzopoulos, N. Arpatzanis, D.H. Tassis, C.A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, Journal of Applied Physics vol.100, p , Analytical current-voltage model for nanocrystalline silicon thin-film transistors A. T. Hatzopoulos, I. Pappas, D. H. Tassis, N. Arpatzanis, C. A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, Applied Physics Letters vol.89, p , /f noise characterization of amorphous/nanocrystalline silicon bilayer thin-film transistors, A. T. Hatzopoulos, N. Arpatzanis, D. H. Tassis, C. A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, Solid State Electronics vol.51, p , Effect of Channel Width on the Electrical Characteristics of Amorphous /Nanocrystalline Silicon Bilayer Thin-Film Transistors, A.T. Hatzopoulos, N. Arpatzanis, D.H. Tassis, C.A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, IEEE Transactions on Electron Devices vol.54, n.5, p.1265, Stability of Amorphous-Silicon and Nanocrystalline Silicon Thin-Film Transistors Under DC and AC Stress A.T. Hatzopoulos, N. Arpatzanis, D.H. Tassis, C.A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, IEEE Electron Device Letters vol.28, n.9, p.803, Degradation of n-channel a-si:h/nc-si:h bilayer thin-film transistors under DC electrical stress N. Arpatzanis, A.T. Hatzopoulos, D.H. Tassis, C.A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, Microelectronics Reliability, vol.48, n.4, p.531, Stability of n-channel a-si:h/nc-si:h bilayer thin-film transistors under dynamic stress, A. T. Hatzopoulos, D. H. Tassis, N. Arpatzanis, C. A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan, G. Kamarinos, Journal of Applied Physics vol.103, n.8, p.84514,

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ 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 ( 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 4

5 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. Για την μελέτη των ενεργειακών καταστάσεων παγίδων σε αυτά, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις θορύβου χαμηλών συχνοτήτων που έδειξαν ότι ο παρατηρούμενος 1/f θόρυβος οφείλεται στις διακυμάνσεις του πλήθους των φορέων στη γραμμική περιοχή λειτουργίας όλων των TFTs. Για τις διατάξεις με μεγάλα 5

6 κανάλια (L = 20 μm), το μοντέλο διακυμάνσεων της ευκινησίας του Hooge φαίνεται ότι κυριαρχεί στα μικρά ρεύματα. Στις μεγάλες τιμές ρεύματος του απαγωγού, η συμπεριφορά της κανονικοποιημένης πυκνότητας θορύβου φανερώνει την κυριαρχία του 1/f θορύβου που δημιουργείται στην αντίσταση σειράς. Όπως και στα πρώτα τρανζίστορ, των οποίων το κανάλι αποτελούνταν από ένα στρώμα nc-si, έτσι και σε αυτά που έχουν το διπλό στρώμα nc-si/a-si μελετήθηκε η συμπεριφορά τους σε σχέση με τις διαστάσεις του καναλιού και βρέθηκε ότι το ρεύμα διαρροής και η αγωγιμότητα του πίσω καναλιού μειώνεται στα διστρωματικά λόγω της ύπαρξης του δεύτερου στρώματος (a-si). Επίσης, η συνολική συμπεριφορά των διστρωματικών τρανζίστορ βελτιώνεται καθώς το πλάτος του καναλιού μειώνεται κάτω από τα 20 μm, γεγονός το οποίο αποδίδεται στο «φαινόμενο της γωνίας», το οποίο γίνεται πιο έκδηλο καθώς το κανάλι στενεύει. Αυτό το εύρημα δείχνει ότι η κατασκευή διστρωματικών τρανζίστορ με πολλά στενά κανάλια, αντί για ένα πλατύ, είναι μία πιθανή λύση για τις μελλοντικές εφαρμογές των TFTs που απαιτούν υψηλές επιδόσεις. Στα πλαίσια της μελέτης της σταθερότητας των διστρωματικών TFTs πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις υπό την επίδραση ηλεκτρικής καταπόνησης σταθερής (DC) και εναλλασσόμενης (AC) τάσης πύλης. Για λόγους σύγκρισης, υποβλήθηκαν στις ίδιες συνθήκες DC και AC καταπόνησης, τρανζίστορ με μονοστρωματικό κανάλι a-si, με μονοστρωματικό κανάλι nc-si και με διστρωματικό κανάλι a-si/nc-si, ίδιων διαστάσεων. Από τις μετρήσεις των χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου, φαίνεται ότι η υποβάθμιση των τρανζίστορ είναι χειρότερη κάτω από συνθήκες DC καταπόνησης, ενώ τη μεγαλύτερη σταθερότητα και τις καλύτερες επιδόσεις εμφανίζουν τα διστρωματικά. Όμως, απαιτείται περαιτέρω βελτίωση των χαρακτηριστικών και της σταθερότητας τους. Για την DC καταπόνηση, η οποία προκαλεί την μεγαλύτερη υποβάθμιση στις διατάξεις, πραγματοποιήθηκε διεξοδική μελέτη με τρεις διαφορετικές συνθήκες πόλωσης. Από την σύγκριση των αποτελεσμάτων βρέθηκε ότι οι μηχανισμοί υποβάθμισης εξαρτώνται άμεσα από τις συνθήκες καταπόνησης και είναι η δημιουργία βαθιών παγίδων και «παγίδων ουράς», στην ενεργό περιοχή του καναλιού, έγχυση φορέων στο μονωτικό της πύλης και δημιουργία καταστάσεων τύπου δότη στη διεπιφάνεια της πύλης. Η υποβάθμιση του ρεύματος λειτουργίας με καταπόνηση υπό συνθήκες πόλωσης κατάστασης λειτουργίας οφείλεται στην γέννηση «παγίδων ουράς» στη 6

7 διεπιφάνεια και στο σώμα του ενεργού υλικού του καναλιού. Αντίθετα, σε καταπόνηση υπό συνθήκες πόλωσης κατάστασης αποκοπής, το ρεύμα λειτουργίας παραμένει ίδιο. Συνολικά, για την βελτίωση της σταθερότητας των τρανζίστορ κάτω από συνθήκες DC καταπόνησης, όλα τα αποτελέσματα δείχνουν ότι απαιτείται λεπτομερής έρευνα στην κατασκευή του διστρωματικού καναλιού και στις συνθήκες ανάπτυξής του. Παρόμοια, εκτεταμένη μελέτη για τους μηχανισμούς υποβάθμισης της DC καταπόνησης και την επίδραση θερμών φορέων, πραγματοποιήθηκε και σε TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου (600 ºC) n-καναλιού. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης παρουσιάζουν ενδιαφέρον διότι και σε αυτά εμφανίζονται φαινόμενα θερμών φορέων. Από την εξέλιξη των χαρακτηριστικών κατά την διάρκεια της καταπόνησης προέκυψε μοντέλο που συμπεριλαμβάνει την επίδραση των θερμών φορέων και προβλέπει τις ιδιότητες της κατεστραμμένης περιοχής που βρίσκεται δίπλα στον απαγωγό, σε σχέση με το χρόνο ηλεκτρικής καταπόνησης. Εκτός από την DC καταπόνηση, εκτεταμένη μελέτη έγινε και για την AC καταπόνηση. Σε TFTs διστρωματικού καναλιού nc-si/a-si εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικές συνθήκες AC ηλεκτρικής καταπόνησης. Από τα αποτελέσματα βρέθηκε ότι, όπως και στη DC καταπόνηση, οι μηχανισμοί υποβάθμισης εξαρτώνται άμεσα από τις συνθήκες καταπόνησης, συμπεριλαμβάνοντας και την γέννηση παγίδων στην ενεργό περιοχή του καναλιού και στην διεπιφάνεια μεταξύ του καναλιού και του μονωτικού της πύλης καθώς και έγχυση φορέων (ηλεκτρόνια ή οπές) μέσα στο μονωτικό της πύλης. Αναπτύχθηκαν μοντέλα που περιγράφουν τις χαρακτηριστικές εισόδου και εξόδου των μονοστρωματικών TFTs nc-si, n-καναλιού με πύλη από την κάτω πλευρά. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα αναλυτικό μοντέλο για το ρεύμα του απαγωγού, που έχει εφαρμογή στην περιοχή τάσεων πάνω από το δυναμικό κατωφλίου και βασίζεται σε εκθετική ενεργειακή κατανομή των «παγίδων ουράς» στο ενεργειακό χάσμα του πυριτίου. Η σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα δείχνει ότι ένα σετ λίγων φυσικών παραμέτρων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγραφούν ικανοποιητικά οι χαρακτηριστικές εισόδου αλλά και οι χαρακτηριστικές εξόδου στην περιοχή κόρου, για μεγάλο εύρος τιμών του μήκους του καναλιού. Ανάπτυξη μοντέλου πραγματοποιήθηκε επίσης για το ρεύμα του απαγωγού σε TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου μεγάλων κρυσταλλιτών n-καναλιού. Για την έκφραση της ευκινησίας, θεωρήθηκε ότι το κανάλι αποτελείται από μία διάταξη 7

8 τετράγωνων κρυσταλλιτών και οι φορείς κινούνται είτε κατά μήκος και επάνω στα όρια των κρυσταλλιτών, είτε μέσα από τους κρυσταλλίτες και κάθετα στα όρια τους. Το μοντέλο εφαρμόζεται σε TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου στα οποία έγινε ανόπτηση με excimer laser. Έρευνα για την επίδραση της ενεργειακής πυκνότητας του laser στην ποιότητα των κρυσταλλιτών και των ορίων τους, έδειξε ότι και τα δυο βελτιώνονται καθώς αυξάνεται η ενεργειακή πυκνότητα μέχρι την τιμή των 280 mj/cm 2. Περαιτέρω αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας του laser βελτιώνει την ποιότητα των κρυσταλλιτών, αλλά τα όρια των κρυσταλλιτών αρχίζουν να υποβαθμίζονται σημαντικά λόγω μερικής τήξης του στρώματος του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Με τη βοήθεια του παραπάνω μοντέλου και της έκφρασης της ευκινησίας σε μία διάταξη τετράγωνων κρυσταλλιτών, αναπτύχθηκε μοντέλο για το ρεύμα απαγωγού στα ίδια TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου μεγάλων κρυσταλλιτών n- καναλιού. Αυτό το μοντέλο περιγράφει το ρεύμα του απαγωγού στην γραμμική περιοχή και στην περιοχή κόρου, συμπεριλαμβάνει το φαινόμενο της κάμψης που εμφανίζεται στις μεγάλες τάσεις απαγωγού και εκφράζεται μόνο από μία εξίσωση που ισχύει εξίσου στις περιοχές πάνω και κάτω από το δυναμικό κατωφλίου. Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει το ύψος του φράγματος δυναμικού στα όρια των κρυσταλλιτών και το επιπλέον ρεύμα που δημιουργείται από το φαινόμενο «ιονισμού κρούσης» λόγω των υψηλών ηλεκτρικών πεδίων και εκφράζει με ακρίβεια τις χαρακτηριστικές εξόδου σε μεγάλο εύρος τιμών τάσης πόλωσης και για διάφορες τιμές του μήκους του καναλιού. 8

9 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 ( 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-toband tunneling effect.at the high electric fields. 9

10 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/SiN x which is closer to the gate terminal and the back conduction channel is at the nc-si/sin x 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. Also, the overall results demonstrate that the performance of bilayer channel TFTs is enhanced with shrinking the channel width below 20 µm, which is attributed to the corner effect that becomes more significant as the channel width becomes narrower. This finding makes the fabrication of multiple narrow bilayer channel TFTs a possible solution for the future applications that demand high performance. 10

11 The stability of these bilayer devices was investigated under static and dynamic bias stress conditions. For comparison, the stability of a-si:h and nc-si:h single-layer TFTs, with same channel dimensions, was investigated under similar bias stress conditions. The transfer and output characteristics show that the degradation of the transistors is worst under static bias stress, while the best stability and the best performance had the dilayer devices. Although, additional improvement of the characteristics and stability is needed for the devices to be used in high performance applications. Αbout the degradation under static bias conditions, which causes the worst damages at the devices, extensive investigation was made with three different bias conditions. It is found that the TFT degradation mechanisms are strongly dependent on the bias stress conditions, involving generation of deep and tail states in the active area of the channel material, carrier injection (electrons or holes) within the gate insulator and generation of donor trap states at the gate insulator/channel interface. The degradation of the on-current under on-state stress and gate stress is caused by the tail states generation at the interface and in the bulk of the active channel material, unlike the cut-off state stress where the current remains unchanged. To achieve better TFT stability under dc stress is required detailed investigation of the a-si:h/nc-si:h bilayer structure and the material growth conditions. Similar extended investgation for the degradation mechanisms under dc stress and the hot-carrier effects was made on polycrystalline (600ºC) n-channel TFTs. The results show the presence of hot-carrier effects. From the evolution of the characteristics during the stress, an analytical model was made which includes the hot-carrier effects degradation and characterizes the electrical properties of the damaged area beside the drain with stress time. Extended research was done also for the degradation mechanisms at dynamic bias conditions stress at the bilayer nc-si:h/a-si:h TFTs. Two different bias conditions were applied and, like under dc stress, it was found that the degradation mechanisms are strongly depended on the bias conditions, involving generation of trap states in the active area of the channel material and at the gate interface and carrier injection within the gate insulator. An analytical model for the drain current that describes the transfer and output characteristics above threshold voltage of the bottom-gated nc-si thin-film transistors TFTswas developed. The model was based on an exponential energy distribution of 11

12 band tail states. Comparison with experimental data shows that few fundamental model parameters, related to the material quality and different physical effects, can be used to describe consistently both output and transfer characteristics of nc-si TFTs over a wide range of channel lengths. Model for the drain current was also developed for the drain current of the large grain polycrystalline silicon n-channel TFTs. For the expression of the mobility we considered that the channel consists of an array of square grains, with the current flowing along the longitudinal grain boundaries or through the grains and across the latitudinal grain boundaries. This model is applied on excimer laser annealed polycrystalline silicon TFTs. An investigation of the effect of the laser energy density on the quality of the grains and grain boundaries has demonstrated that both grains and grain boundaries are improved with increasing the laser energy density up to 280 mj/cm. With further increase of the laser energy density, the quality of the grains is improved, whereas the grain boundaries start to degrade due to partial melting of the polysilicon layer. With the results of the previous model and the expression of the mobility in a channel which is considered that is consisted of an array of square grains, a model for the drain current of the same n-channel large grain polycrystalline silicon TFTs. This model describes the on-state current and is valid in both linear and saturation regimes including the impact ionization effect. The proposed model, which includes the potential barrier height at the grain boundaries and the excess current due to impact ionization, provides accurate description of the output characteristics over a wide range of bias voltages in devices with different gate lengths. 12

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 1.1 Κίνητρα της παρούσας έρευνας Αρχή λειτουργίας των TFTs Πρόσφατη έρευνα στα TFTs nc-si:h Ερευνητικά προβλήματα της διατριβής Οργάνωση της διατριβής Βιβλιογραφία 33 Κεφάλαιο 2: Πειραματικές διατάξεις και μέθοδοι μέτρησης 2.1 Εισαγωγή Ανάπτυξη και δομή των υμενίων nc-si:h Κατασκευή των TFTs (LETI) Πειραματικές τεχνικές μέτρησης Μέτρηση χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου Εφαρμογή ac και dc ηλεκτρικής καταπόνησης Μετρήσεις θορύβου χαμηλών συχνοτήτων. 46 Βιβλιογραφία Κεφάλαιο 3: Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός με μετρήσεις I-V χαρακτηριστικών και θορύβου χαμηλών συχνοτήτων 3.1 Εισαγωγή Χαρακτηρισμός διατάξεων με ηλεκτρικές μετρήσεις και μετρήσεις θορύβου χαμηλών συχνοτήτων Μελέτη του ρεύματος διαρροής Χαρακτηρισμός θορύβου 1/f διστρωματικών a-si/nc-si TFTs Επίδραση του πλάτους του καναλιού στις χαρακτηριστικές των διστρωματικών a-si/nc-si TFTs Συμπεράσματα 95 Βιβλιογραφία 98 13

14 Κεφάλαιο 4: Αξιοπιστία των TFTs υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης 4.1 Εισαγωγή Σταθερότητα a-si και nc-si TFTs υπό την επίδραση ηλεκτρικής καταπόνησης σταθερής και εναλλασσόμενης τάσης πόλωσης Υποβάθμιση TFTs διστρωματικών υμενίων a-si:h/nc-si:h υπό την επίδραση ηλεκτρικής καταπόνησης σταθερής τάσης πόλωσης Καταπόνηση της πύλης Καταπόνηση υπό συνθήκες κατάστασης λειτουργίας Καταπόνηση υπό συνθήκες κατάστασης αποκοπής Σταθερότητα TFTs διστρωματικών υμενίων a-si:h/nc-si:h υπό την επίδραση δυναμικής καταπόνησης Ακροδέκτης απαγωγού γειωμένος DC πόλωση στο ηλεκτρόδιο του απαγωγού Αναλυτικό μοντέλο χαρακτηρισμού της περιοχής υποβάθμισης από θερμούς φορείς Συμπεράσματα Βιβλιογραφία. 143 Κεφάλαιο 5: Μοντέλα χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου 5.1 Εισαγωγή Μοντέλο ρεύματος απαγωγού TFTs νανοκρυσταλλικού πυριτίου Μοντέλο ρεύματος απαγωγού TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου μεγάλων κρυσταλλιτών στη γραμμική περιοχή λειτουργίας Αναλυτικό μοντέλο ρεύματος απαγωγού TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου μεγάλων κρυσταλλιτών στην περιοχή κόρου Συμπεράσματα. 175 Βιβλιογραφία. 177 Κεφάλαιο 6: Γενικά Συμπεράσματα-Προοπτικές 6.1 Συμπεράσματα Προτάσεις για μελλοντική εργασία

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 15

16 Κεφάλαιο Κίνητρα της παρούσας έρευνας 1.2 Αρχή λειτουργίας των TFTs 1.3 Πρόσφατη έρευνα στα TFTs nc-si:h 1.4 Ερευνητικά προβλήματα της διατριβής 1.5 Οργάνωση της διατριβής 1.1 Κίνητρα της παρούσας έρευνας Τα τελευταία χρόνια παρατηρούμε την ραγδαία αύξηση του μεγέθους και της ανάλυσης των επίπεδων οθονών απεικόνισης υγρών κρυστάλλων. Αυτός είναι ο κύριος στόχος των βιομηχανιών οθονών απεικόνισης, ενώ υπάρχει και ο διαχρονικός της συνεχούς μείωσης του κόστους. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται κατά ένα μέρος αυξάνοντας την επιφάνεια εναπόθεσης των συστημάτων ανάπτυξης και τον ρυθμό εναπόθεσης των διηλεκτρικών υμενίων, καθώς επίσης και των υμενίων αμόρφου πυριτίου και επομένως αυξάνοντας την παραγωγή. Τα τρανζίστορ λεπτών υμενίων (Thin Film Transistors, TFTs) χρησιμοποιούνται ως στοιχεία διακοπτών και ως στοιχεία για τα περιφερειακά ηλεκτρονικά κυκλώματα των επίπεδων οθονών υγρών κρυστάλλων. Οι διατάξεις αυτές συνήθως κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας 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, λόγω της χαμηλής ευκινησίας των φορέων (περίπου 0.4 cm 2 /Vs στα τρανζίστορ της γραμμής παραγωγής) και της φτωχής σταθερότητας που παρουσιάζουν τα TFTs a-si:h υπό την επίδραση φωτός ή ηλεκτρικής καταπόνησης, η τεχνολογία του αμόρφου πυριτίου δεν χρησιμοποιείται για την ολοκλήρωση των κυκλωμάτων οδήγησης των TFTs στις οθόνες απεικόνισης. Η χρησιμοποίηση υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου λύνει μερικά από τα παραπάνω προβλήματα. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο έχει μεγαλύτερη ευστάθεια υπό την επίδραση ηλεκτρικής καταπόνησης και μεγαλύτερη ευκινησία φορέων, ιδιότητες οι οποίες μεταφράζονται σε τεχνολογία οθονών απεικόνισης μεγαλύτερης ταχύτητας, ενδογενούς σταθερότητας και υψηλότερης ανάλυσης. Τα πλεονεκτήματα αυτά 16

17 περιορίζονται από την υψηλή θερμοκρασία που απαιτείται για την κρυσταλλοποίηση του a-si:h σε ακριβά υποστρώματα γυαλιού (quartz) χρησιμοποιώντας excimer laser, καθότι αυτός ο τρόπος ανάπτυξης του πολυκρυσταλλικού πυριτίου αυξάνει το κόστος παραγωγής. Για τον λόγο αυτό, γίνεται σημαντική έρευνα για την ανάπτυξη λεπτών υμενίων υλικού που να έχει τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας του a-si:h (εναπόθεση σε μεγάλη επιφάνεια και σε χαμηλή θερμοκρασία) με τις καλές ηλεκτρονικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού πυριτίου (σταθερότητα και υψηλή ευκινησία φορέων). Υδρογονωμένα υμένια νανοκρυσταλλικού πυριτίου (nc-si:h) έχουν προταθεί ως εναλλακτικά υλικά των a-si:h και πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Το βασικότερο πλεονέκτημα των υλικών αυτών είναι η δυνατότητα εναπόθεσής τους σε μεγάλη επιφάνεια και σε χαμηλή θερμοκρασία ( 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. Αυτές οι ποιοτικές διαφορές καθιστούν τα υλικά nc-si:h ελκυστικά για την κατασκευή φθηνών και υψηλής ποιότητας τρανζίστορ TFTs. 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. Δηλαδή, αναπτύχθηκαν υμένια nc-si:h με ευκινησία των ηλεκτρονίων μεγαλύτερη από 10 cm 2 /Vs και λόγο ευκινησίας ηλεκτρονίων και οπών περίπου δέκα. 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. Οι παράμετροι κλειδί του υλικού είναι η μικροκρυσταλλική δομή του υμενίου που εναποτίθεται και η πυκνότητα των ατελειών του. 17

18 1.2 Αρχή λειτουργίας των TFTs Η δομή ενός τυπικού MOSFET φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.1 Δομή τρανζίστορ MOSFET προσαύξησης n-καναλιού. Όπως φαίνεται και από το σχήμα 1.1, το MOSFET n-καναλιού έχει τέσσερις ακροδέκτες, την πηγή (source), την πύλη (gate), τον απαγωγό (drain) και το υπόστρωμα (bulk). Η εφαρμογή μιας διαφοράς δυναμικού μεταξύ πύλης και πηγής δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο διαπερνά το διηλεκτρικό της πύλης και δημιουργεί (προσαύξηση) ή τροποποιεί (κένωση) ένα στρώμα αναστροφής. Το στρώμα αναστροφής έχει αντίθετο τύπο αγωγιμότητας από αυτόν του υποβάθρου και ταυτόσημο με αυτόν των διαχύσεων σε πηγή και απαγωγό. Συγκεκριμένα, στο MOSFET προσαύξησης του σχήματος 1.1 όπου η πηγή (S) και ο απαγωγός (D) είναι n-τύπου και το υπόστρωμα p-τύπου, το κανάλι αναστροφής που σχηματίζεται κάτω από την πύλη και μεταξύ πηγής και απαγωγού, με την εφαρμογή κατάλληλης διαφοράς δυναμικού μεταξύ πύλης και πηγής, θα είναι n- τύπου. Δημιουργείται έτσι ένας δίαυλος που επιτρέπει τη ροή του ρεύματος μεταξύ πηγής και απαγωγού. Η μεταβολή της διαφοράς δυναμικού μεταξύ της πύλης και της πηγής διαμορφώνει την αγωγιμότητα του καναλιού ελέγχοντας έτσι τη ροή του ρεύματος μεταξύ πηγής και απαγωγού. Το υπόστρωμα συνήθως βραχυκυκλώνεται με την πηγή για να μην πολωθεί ορθά η επαφή της πηγής (σχήμα 1.2). Αντίστοιχα, υπάρχουν τα MOSFET p-καναλιού, στα οποία οι περιοχές προσμίξεων είναι αντίθετες από αυτές του n-καναλιού. 18

19 Σχήμα 1.2 MOSFET προσαύξησης n-καναλιού με βραχυκύκλωμα μεταξύ της πηγής και του σώματος του υποστρώματος. Στο σχήµα 1.3 παρουσιάζεται η διαδικασία δηµιουργίας ενός καναλιού αναστροφής (κανάλι n-τύπου) µέσα σε ένα υπόστρωµα p-τύπου, δηµιουργώντας έτσι έναν n-δίαυλο που ενώνει τις n + -τύπου περιοχές της πηγής και του απαγωγού. Όταν στην πύλη δεν εφαρµόζεται κάποιο δυναµικό δεν υπάρχει ο n-δίαυλος και οι n + - τύπου περιοχές του απαγωγού και της πηγής χωρίζονται από το p-τύπου υλικό του υποστρώµατος που είναι πολύ µικρής αγωγιµότητας. Όταν η µεταλλική πύλη βρεθεί σε θετικό δυναµικό υψηλότερο από αυτό της πηγής (u GS >0 στο σχήµα 1.3) συσσωρεύονται σε αυτήν θετικά φορτία, τα οποία έλκουν ηλεκτρόνια (φορείς µειονότητας) από το p-υπόστρωµα προς τη διεπιφάνεια µε το οξείδιο, απωθώντας παράλληλα τις οπές. Όταν η συσσώρευση αυτών των αρνητικών φορτίων φτάσει σε συγκέντρωση τέτοια ώστε να ξεπερνά τη συγκέντρωση των φορέων πλειονότητας (οπών) του p-υποστρώµατος, τότε επέρχεται η αναστροφή του τύπου αγωγιµότητας και σχηµατίζεται ένας οµοιογενής δίαυλος τύπου n στο p- υπόστρωµα, όπως φαίνεται στο σχήµα 1.3. Για να επιτευχθεί αναστροφή κατά μήκος της έκτασης μεταξύ της πηγής και του απαγωγού χρειάζεται η τάση u GS να ξεπεράσει κάποια τιµή κατωφλίου V T (Threshold Voltage). Ο σχηµατισµός του διαύλου ουσιαστικά ισοδυναµεί µε τη δηµιουργία ενός καναλιού υψηλής αγωγιµότητας µεταξύ πηγής και απαγωγού. Όσο το θετικό δυναµικό της πύλης αυξάνει τόσο αυξάνεται και η αγωγιµότητα του διαύλου. 19

20 Σχήμα 1.3 Δημιουργία καναλιού όταν η τάση u GS ξεπεράσει το δυναμικό κατωφλίου V T σε MOSFET προσαύξησης n-καναλιο. Αν στη συνέχεια ο απαγωγός έρθει σε θετικό δυναµικό σε σχέση µε την πηγή θα παρουσιαστεί ροή ρεύµατος µεταξύ πηγής και απαγωγού, ενώ παράλληλα λόγω της πτώσης τάσης που προκαλεί το ρεύµα κατά μήκος της αντίστασης του διαύλου το σχήµα του διαύλου θα τροποποιηθεί παρουσιάζοντας µια συρρίκνωση προς την περιοχή του απαγωγού (σχήµα 1.4). Αν µε τη µεταβλητή x συµβολίσουµε την απόσταση ενός σηµείου του διαύλου από την πηγή, τότε το δυναµικό του σηµείου αυτού µε αναφορά το δυναµικό της πηγής θα είναι u XS. Το δυναµικό u XS των σηµείων του διαύλου αυξάνεται καθώς κινούµαστε από την πηγή προς τον απαγωγό. Για να συντηρείται ο δίαυλος σε κάποια θέση x µεταξύ πηγής και απαγωγού θα πρέπει η διαφορά δυναµικού u GX να είναι τουλάχιστον ίση ή να ξεπερνά το δυναµικό κατωφλίου V T. Ένα χρήσιµο µέγεθος που δείχνει το κατά πόσο σε κάποιο σηµείο x µεταξύ πηγής και απαγωγού συντηρείται η αναστροφή τύπου αγωγιµότητας, υπάρχει δηλαδή ο δίαυλος, είναι το δυναµικό διατήρησης διαύλου, Vδδ: Vδδ = u GX V T (1.1) Στα σηµεία όπου το δυναµικό αυτό είναι θετικό ο n-δίαυλος συντηρείται, ενώ στα σηµεία όπου αλλάζει πρόσηµο και γίνεται αρνητικό, ο δίαυλος παύει να υφίσταται. Όταν ο δίαυλος διατηρείται σε όλο του το µήκος από την πηγή στον απαγωγό, η αγωγιµότητα του MOSFET χαρακτηρίζεται ως µη κορεσµένη. Το ρεύµα 20

21 i D, που ρέει στην περίπτωση αυτή µεταξύ πηγής και απαγωγού εξαρτάται τόσο από το u DS όσο και από το u GS, και αυξάνει µε την αύξησή τους. Σχήμα 1.4 Τροποποίηση της µορφής του καναλιού υπό την επίδραση διαφοράς δυναµικού u DS µεταξύ απαγωγού και πηγής. Όταν ο δίαυλος κλείνει από κάποιο σηµείο του µέχρι τον απαγωγό, τότε η αγωγιµότητα χαρακτηρίζεται ως κορεσµένη και το ρεύµα που ρέει µεταξύ πηγής και απαγωγού είναι ανεξάρτητο της διαφοράς δυναµικού u DS στους δύο αυτούς ακροδέκτες και εξαρτάται µόνο από το u GS. Όταν ο δίαυλος δεν σχηµατίζεται καθόλου (u GS < V T ), τότε το τρανζίστορ βρίσκεται σε αποκοπή και το ρεύµα µηδενίζεται. Στη διάταξη του σχήµατος 1.5 μπορεί εύκολα να αποδειχθεί µε τη βοήθεια της έννοιας του δυναµικού διατήρησης διαύλου ότι ο δίαυλος δεν κλείνει σε κανένα σηµείο µεταξύ πηγής και απαγωγού και κατά συνέπεια η αγωγιµότητά του χαρακτηρίζεται ως µη κορεσµένη. Η εξίσωση 1.1 για µεγαλύτερη ευκολία µπορεί να γραφεί ως εξής: V δδ = ugx VT = ugs u XS VT (1.2) 21

22 Σχήμα 1.5 Κατάσταση µη-κορεσµένης αγωγιµότητας (non-saturated conduction). Σχήμα 1.6 Κατάσταση µη-κορεσµένης αγωγιµότητας (non-saturated conduction). Στη περίπτωση κορεσμένης αγωγιμότητας, δηλαδή όταν το κανάλι κλείνει πριν τον απαγωγό, αντιστοιχούν τα σχήματα 1.7 και

23 Σχήμα 1.7 Κατάσταση κορεσµένης αγωγιµότητας (saturated conduction). Σχήμα 1.8 Κατάσταση κορεσµένης αγωγιµότητας (saturated conduction). Το κανάλι κλείνει σε απόσταση L Κ από τον απαγωγό. 23

24 Χαρακτηριστικές εισόδου και εξόδου Οι χαρακτηριστικές εξόδου και εισόδου ή μεταφοράς ενός MOSFET προσαύξησης n-καναλιού φαίνονται στατα σχήμα 1.9 και 1.10, αντίστοιχα. Σχήμα 1.9 Χαρακτηριστική εξόδου i D -u DS ενός MOSFET προσαύξησης n-καναλιού. Σχήμα 1.10 Χαρακτηριστική εισόδου ή μεταφοράς i D -u GS ενός MOSFET προσαύξησης n-καναλιού. 24

25 Ο γεωµετρικός τόπος που χωρίζει τη µη κορεσµένη αγωγιµότητα από την κορεσµένη στο σχήµα 1.9 αντιστοιχεί στα σηµεία εκείνα για τα οποία κλείνει ο δίαυλος στον απαγωγό, και κατά συνέπεια ισχύει: u GD = u u = V u = u V (1.3) GS DS T DS GS Γενικά, για το ρεύµα στις τρεις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του MOSFET προσαύξησης n-καναλιού ισχύουν τα ακόλουθα: T Περιοχή αποκοπής (cut-off ή sub-threshold περιοχή) Στην περιοχή αυτή, που αντιστοιχεί σε u GS < V T, ο δίαυλος κλείνει στη θέση της πηγής (δεν σχηµατίζεται καθόλου δίαυλος) και το ρεύµα που ρέει µεταξύ πηγής και απαγωγού στην ιδανική περίπτωση είναι µηδέν. Στην πραγµατικότητα όµως, λόγω του ότι οι ενέργειες των ηλεκτρονίων ακολουθούν την κατανοµή Boltzmann υπάρχουν πάντα κάποια ενεργητικά ηλεκτρόνια στην πηγή που εισέρχονται στην p- περιοχή και φτάνουν στον απαγωγό δηµιουργώντας ένα ρεύµα διαρροής (subthreshold leakage). Περιοχή τριόδου ή γραµµικής λειτουργίας Για να βρεθεί το MOSFET σε αυτήν την περιοχή λειτουργίας πρέπει να ισχύουν οι σχέσεις u GS > V T και u DS < u GS -V T. Το τρανζίστορ αρχίζει να λειτουργεί καθώς τώρα δηµιουργείται ένα n-τύπου κανάλι που συνδέει πηγή και απαγωγό και επιτρέπει τη ροή ρεύµατος µεταξύ των δύο αυτών περιοχών. Στην περιοχή αυτή το MOSFET συµπεριφέρεται σαν µια αντίσταση ελεγχόµενη από τάση. Μια αντίσταση που ελέγχεται τόσο από την τάση u DS όσο και από την τάση u GS. Λόγω αυτής της εξάρτησης, το ρεύµα i D που διαρρέει το κανάλι θα γράφεται σαν συνάρτηση των τάσεων u DS και u GS : i D 2 2 W u DS μ nε W uds = μ ncox ( ugs VT ) uds = ( ugs VT ) uds (1.4) L 2 tox L 2 όπου µ n είναι η ευκινησία των ελευθέρων φορέων, ε η ηλεκτρική διαπερατότητα του οξειδίου, C OX η χωρητικότητα της πύλης ανά µονάδα επιφάνειας, t OX το πάχος του µονωτικού οξειδίου πύλης, W το πλάτος του καναλιού, L το µήκος του καναλιού. Συχνά το κλάσμα πριν τις αγκύλες αντικαθιστάται από τον παράγοντα ενίσχυσης β (gain factor) του MOS τρανζίστορ. 25

26 Περιοχή κόρου (saturation) Οι συνθήκες για να βρεθεί το MOSFET σε αυτήν την περιοχή λειτουργίας είναι: υ GS > V T και υ DS > u GS -V T. Το κανάλι - όπως ήδη προαναφέρθηκε - είναι εν µέρει σχηµατισµένο. Καλύπτει ένα συγκεκριµένο κλάσµα του συνολικού µήκους L του καναλιού, από την πηγή µέχρι ένα µήκος L K, όπως φαίνεται και στο σχήµα.1.8, ενώ στο υπόλοιπο τµήµα µέχρι τον απαγωγό είναι κλειστό. Το ρεύµα κάτω από αυτές τις συνθήκες µπορεί να θεωρηθεί σε πρώτη προσέγγιση αναξάρτητο της τάσης υ DS : i D μ nc = 2 ox W L β ( u V ) = ( u V GS T GS T ) (1.5) Οι εξισώσεις 1.4 και 1.5 ισχύουν και για MOSFET τρανζίστορ p-καναλιού, µε τη διαφορά ότι πρέπει τα ρεύµατα και οι τάσεις να έχουν αντίθετο πρόσηµο και η ευκινησία των ηλεκτρονίων µ n, να αντικατασταθεί από την ευκινησία των οπών µ p. ιαµόρφωση µήκους καναλιού Παρατηρώντας τις χαρακτηριστικές του σχήµατος 1.9, γίνεται φανερό πως η εξίσωση 1.5 ισχύει µόνο σε πρώτη προσέγγιση, αφού οι χαρακτηριστικές στην περιοχή του κόρου δεν είναι οριζόντιες αλλά το ρεύµα i D παρουσιάζει µία ασθενική αύξηση συναρτήσει της τάσης υ DS. Το φαινόµενο αυτό οφείλεται στη διαµόρφωση του µήκους του διαύλου κατά τη µεταβολή της τάσης υ DS και όταν λαµβάνεται υπόψη η εξίσωση 1.5 τροποποιείται στην : β 2 id = ( ugs VT ) ( 1+ λ u DS ) (1.6) 2 όπου λ (το 1/λ ονοµάζεται τάση Early) είναι ένας εµπειρικός παράγοντας διαµόρφωσης του µήκους του καναλιού (channel length modulation factor) Φαινόµενο σώµατος (body effect) Το φαινόµενο σώµατος αναφέρεται στην εξάρτηση του δυναµικού κατωφλίου, V T, από τη διαφορά δυναµικού µεταξύ της πηγής και του σώµατος (bulk) του υποστρώµατος. Στα προηγούμενα σχήµατα, η πηγή µε τον ακροδέκτη του υποστρώµατος παρουσιάζονται βραχυκυκλωµένες. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, το δυναµικό κατωφλίου χαρακτηρίζεται ως V T0. Αν µεταξύ της πηγής και του υποστρώµατος η διαφορά δυναµικού πάρει µη µηδενική τιµή, V SB 0, τότε το δυναµικό κατωφλίου γράφεται σα συνάρτηση της V SB ως: 26

27 V T TO ( V + 2φ φ ) = V + γ 2 (1.7) SB F F όπου γ είναι η παράµετρος του φαινοµένου σώµατος και φ F η παράµετρος επιφανειακού δυναµικού. Η παράµετρος γ γράφεται ως: t = qε Si N SUB ε (1.8) OX OX γ 2 όπου q είναι το φορτίο του ηλεκτρονίου, t OX το πάχος του µονωτικού οξειδίου πύλης, ε OX η διηλεκτρική σταθερά του οξειδίου, ε Si η διηλεκτρική σταθερά του πυριτίου και Ν SUB η συγκέντρωση φορέων του υποστρώµατος. 1.3 Πρόσφατη έρευνα στα TFTs nc-si:h Η αύξηση του μεγέθους και της διακριτικής ικανότητας των επίπεδων οθονών απεικόνισης υγρών κρυστάλλων (Active Matrix Liquid Crystal Displays, AMLCDs), μαζί με την μείωση του κόστους, αποτελούν το κυρίαρχο θέμα για τη βιομηχανία επίπεδων οθόνων. Αρκετές λύσεις προτάθηκαν που οδηγούν στη μείωση του κόστους, όπως η ολοκλήρωση των κυκλωμάτων οδήγησης της οθόνης και η μείωση της θερμοκρασίας κατασκευής των τρανζίστορ, η οποία θα επιτρέψει την κατασκευή οθονών απεικόνισης πάνω σε εύκαμπτα πλαστικά και οργανικά υποστρώματα που είναι φθηνότερα από τα γυαλιά, αλλά αντέχουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (150 C). Επιπλέον, τα κυκλώματα οδήγησης απαιτούν μεγάλο λόγο ρεύματος on/off και μεγάλη ευκινησία φορέων. Τέλος, η τεχνολογία AMLCD απαιτεί τα τρανζίστορ που ελέγχουν κάθε εικονοστοιχείο (pixel) της οθόνης να είναι σταθερά κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους και να έχουν μικρό ρεύμα διαρροής ώστε να διατηρούν το συλλεγόμενο φορτίο καθώς αυτά βρίσκονται σε κατάσταση εκτός λειτουργίας. Μέχρι σήμερα, χρησιμοποιήθηκε εκτενώς η τεχνολογία υδρογονωμένου άμορφου πυριτίου (a-si:h) για εφαρμογές σε επίπεδες οθόνες απεικόνισης υγρών κρυστάλλων [1]-[5], στις οποίες κάθε εικονοστοιχείο (pixel) της οθόνης ελέγχεται από ένα TFT που λειτουργεί σαν διακόπτης. Όμως, η χαμηλή ευκινησία φορέων (<1 cm 2 /Vs) και η φτωχή σταθερότητα των διατάξεων a-si:h υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης και φωτισμού [6], αποτελούν τεχνολογικά εμπόδια για ολοκλήρωση οδηγών κυκλωμάτων στην οθόνη χρησιμοποιώντας τέτοια τρανζίστορ. Η αστάθεια που παρατηρήθηκε οφείλεται κυρίως στην αποδέσμευση του υδρογόνου και στην παγίδευση φορέων στο μονωτικό υμένιο της πύλης, με αποτέλεσμα την μεταβολή των 27

28 ηλεκτρικών ιδιοτήτων των TFTs a-si:h και ιδιαίτερα μεταβολή της τάσης κατωφλίου [7], [8]. Πρόσφατες ερευνητικές προσπάθειες εστιάσθηκαν σε TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου προκειμένου να υπερνικηθούν ορισμένα από τα ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά των TFTs a-si:h. Υμένια πολυκρυσταλλικού πυριτίου, τα οποία έχουν αναπτυχθεί σε υποστρώματα γυαλιού quartz σε θερμοκρασίες 620 C με διάφορες τεχνικές όπως κρυστάλλωση στερεάς φάσης (solid phase crystallization, SPC) [9], κρυστάλλωση με laser [10]-[19], ή SPC κρυστάλλωση επαγόμενη από μέταλλο [19]-[22], χρησιμοποιήθηκαν ως ενεργά υλικά καναλιού. Τα TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν μεγαλύτερη ευκινησία φορέων και παρουσιάζουν καλύτερη ευστάθεια υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης, με αποτέλεσμα την κατασκευή οθόνων υψηλότερης ταχύτητας και μεγαλύτερης διακριτικής ικανότητας. Τα χαρακτηριστικά του υλικού που επιφέρουν αυτά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά είναι το μεγάλο μέγεθος των κρυσταλλιτών και η απομάκρυνση των δομικών ατελειών από το εσωτερικό των κρυσταλλιτών. Όμως, η τεχνολογία κρυστάλλωσης με laser πάσχει από υψηλό κόστος παραγωγής, σημαντική ανομοιομορφία σε μεγάλη επιφάνεια, ενώ οι διαδικασίες κατασκευής υψηλών θερμοκρασιών καθιστούν αυτές τις τεχνολογίες ακατάλληλες για εύκαμπτα υποστρώματα. Για τους λόγους αυτούς, πραγματοποιήθηκε μεγάλη έρευνα για την ανάπτυξη λεπτών υμενίων υλικού που να συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του a-si:h (εναπόθεση σε μεγάλη επιφάνεια και διαδικασίες εναπόθεσης χαμηλών θερμοκρασιών) με τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του πολυκρυσταλλικού πυριτίου (ευκινησία ηλεκτρονίων πάνω από 100 cm 2 /Vs και καλύτερη ευστάθεια). Τα λεπτά υμένια nc-si:h, που εναποτίθενται σε χαμηλές θερμοκρασίες, αποτελούν εναλλακτικό υλικό για αντικατάσταση του a-si:h ή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Διάφορες τεχνικές έχουν προταθεί για εναπόθεση των λεπτών υμενίων nc-si:h σε χαμηλές θερμοκρασίες [23]-[25]. Στα περισσότερα TFTs nc-si:h που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, η μετάβαση από το a-si:h στο nc-si:h έγινε χρησιμοποιώντας τους ίδιους αντιδραστήρες πλάσματος και η ευκινησία ηλεκτρονίων είναι της τάξης μεγέθους του 1 cm 2 /Vs, όμοια με αυτή των TFTs a-si:h. Όμως, τα λεπτά υμένια nc-si:h παρουσιάζουν μεγαλύτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον, λόγω του δυναμικού τους πλεονεκτήματος στην υψηλότερη σταθερότητα υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης ή φωτισμού, έναντι των ανταγωνιστικών TFTs a- Si:H. Όντως, έχει αναφερθεί ότι τα TFTs nc-si:h υπό ηλεκτρική καταπόνηση 28

29 εμφανίζουν μικρότερη μετατόπιση της τάσης κατωφλίου σε σχέση με τα TFTs a-si:h κατά ένα παράγοντα του δέκα [23]. Επιπλέον, από βιομηχανική άποψη, η τεχνολογία του nc-si:h έχει το πλεονέκτημα να είναι απόλυτα συμβατή με την υπάρχουσα τεχνολογία a-si. Πρόσφατα, η ευκινησία φορέων του nc-si:h αυξήθηκε σημαντικά σε σχέση με αυτήν του a-si:h, γεγονός που το κάνει ακόμη πιο επιθυμητό [26], [27]. Μία πολλά υποσχόμενη τεχνική είναι η εναπόθεση nc-si:h από μίγματα αερίων SiF 4 και υδρογόνου, στα οποία η ευκινησία ηλεκτρονίων μπορεί να φθάσει μέχρι 7 cm 2 /Vs [28], παρέχοντας την δυνατότητα ακόμη μεγαλύτερης ολοκλήρωσης των περιφερειακών κυκλωμάτων οδήγησης των οθονών απεικόνισης. Τέλος, τα υμένια nc-si:h μπορούν να εναποτεθούν σε μεγάλες επιφάνειες και χαμηλές θερμοκρασίες, ικανοποιώντας τον τελικό στόχο της βιομηχανίας για ανάπτυξη οθονών σε φτηνά εύκαμπτα πλαστικά υποστρώματα και περαιτέρω μείωση του κόστους παραγωγής. Στην τεχνολογία a-si, δόθηκε μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη διηλεκτρικών πύλης με την τεχνική PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) στην περιοχή θερμοκρασίας o C, για αντικατάσταση του συμβατικού μονωτή πύλης SiO 2 που αναπτύσσεται θερμικά σε υψηλές θερμοκρασίες [29]. Το νιτρίδιο του πυριτίου (SiN x ) που αναπτύσσεται με την τεχνική PECVD έχει χρησιμοποιηθεί αποκλειστικά ως διηλεκτρικό πύλης σε TFTs a-si:h. Μερικά από τα δυναμικά του πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν υψηλότερη αντοχή σε οποιαδήποτε ακτινοβολία, υψηλότερο φράγμα στην διάτρησή τους από ξένα στοιχεία και αύξηση του ορίου του ηλεκτρικού πεδίου για ηλεκτρική διάτρηση [29]. Η συνηθέστερη δομή στα TFTs a- Si:H είναι η δομή με την πύλη από κάτω (bottom-gated configuration) λόγω των ιδιοτήτων του διηλεκτρικού πύλης. Όταν το SiN x εναποτίθεται με PECVD, η ποιότητα του υλικού είναι πολύ φτωχή στα αρχικά στάδια της ανάπτυξης, η οποία βελτιώνεται σταδιακά καθώς το υμένιο γίνεται παχύτερο. Επομένως, όταν το υμένιο του a-si αναπτύσσεται στην πάνω επιφάνεια του διηλεκτρικού SiN x στη δομή με την πύλη από κάτω, η διεπιφάνεια μεταξύ a-si:h/sin x θα περιέχει λιγότερες δομικές ατέλειες, που οδηγεί στην βελτίωση της αγωγιμότητας του καναλιού. Πρόσφατα, αναφέρθηκαν στη βιβλιογραφία παρόμοιες δομές TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου, που κατασκευάσθηκαν σε υποστρώματα πυριτίου σε υψηλότερες θερμοκρασίες (μέχρι 850 o C) [30], [31]. Σε πρόσφατη έρευνα στα TFTs nc-si:h, επίσης δόθηκε έμφαση στη δομή τρανζίστορ με την πύλη από κάτω [23]-[25]. Τα πλεονεκτήματα αυτών των διατάξεων είναι ότι η δομή της διάταξης και οι διαδικασίες κατασκευής είναι σχεδόν 29

30 ίδιες με αυτές των εμπορικών TFTs a-si:h, και δεν απαιτούνται επιπλέον διαδικαστικά βήματα από τα καθιερωμένα για την κατασκευή συμβατικών AMLCD TFTs. Όμως, για AMLCD εφαρμογές, τα TFTs nc-si:h πάσχουν από σχετικά μεγάλα ρεύματα διαρροής με την εφαρμογή υψηλών τάσεων πύλης και απαγωγού, που οφείλεται στη θεμελιώδη φύση του μηχανισμού της κβαντομηχανικής διάτρησης (band-to-band tunneling, BBT). Τα TFTs nc-si:h παρουσιάζουν μεγαλύτερα ρεύματα διαρροής σε σχέση με τα TFTs a-si:h, αφού το ενεργειακό χάσμα του nc-si (~1.1 ev) είναι μικρότερο από αυτό του a-si (~1.7 ev). Για τον λόγο αυτό, η μείωση του ρεύματος διαρροής TFTs nc-si:h αποτελεί στόχο της παρούσας διατριβής, χρησιμοποιώντας διστρωματικά υμένια nc-si:h/a-si:h. 1.4 Ερευνητικά προβλήματα της διατριβής Βασικός στόχος των βιομηχανιών κατασκευής επίπεδων οθονών απεικόνισης είναι: (1) Η βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης των υμενίων nc-si:h σε βιομηχανικό επίπεδο, ώστε να επιτευχθεί βέλτιστη απόδοση και σταθερότητα των TFTs υπό την επίδραση ηλεκτρικής καταπόνησης και (2) η μείωση της θερμοκρασίας κατασκευής των TFTs στους 150 C, διατηρώντας σταθερή την απόδοση και την σταθερότητά τους με αυτήν της σημερινής τεχνολογίας κατασκευής τους στην θερμοκρασία των 280 C. Για να επίτευξη των παραπάνω στόχων πρέπει να μελετηθούν οι δομικές ατέλειες των υμενίων nc-si:h συναρτήσει των συνθηκών ανάπτυξης στα βιομηχανικά συστήματα ανάπτυξης, να μελετηθούν οι παγίδες ηλεκτρονίων που εισάγουν οι ατέλειες στο ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού και να γίνει συσχέτιση των παγίδων ηλεκτρονίων με την απόδοση των τρανζίστορ και την σταθερότητά τους υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης. Συγκεκριμένα, στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται τα παρακάτω ερευνητικά θέματα: 1) Η δομή των υμενίων nc-si:h με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διερχόμενης δέσμης, τα οποία αναπτύχθηκαν με το βιομηχανικό σύστημα ΚΑΙ της Γαλλικής εταιρίας UNAXIS. 2) O ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των TFTs nc-si:h με μετρήσεις των στατικών χαρακτηριστικών εισόδου και εξόδου. 3) Η συγκριτική μελέτη των TFTs που κατασκευάσθηκαν σε μονοστρωματικά υμένια nc-si:h ή διστρωματικά υμένια a-si:h/nc-si:h. 30