Χαρακτηρισμός και μοντέλα τρανζίστορ λεπτών υμενίων βιομηχανικής παραγωγής
Authors: Χατζόπουλος Αργύριος 
Published: January 2014

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. ............................................................................................................................................................