Χαρακτηρισμός και μοντέλα τρανζίστορ λεπτών υμενίων βιομηχανικής παραγωγής: Τεχνολογία μικροκρυσταλλικού πυριτίου χαμηλής θερμοκρασίας Υποψήφιος Διδάκτορας: Α. Χατζόπουλος Περίληψη 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 άμορφου 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 άμορφου 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. H 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. H 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 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. H υποβάθμιση του ρεύματος λειτουργίας με καταπόνηση υπό συνθήκες πόλωσης κατάστασης λειτουργίας οφείλεται στην γέννηση «παγίδων ουράς» στη 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. H 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 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.