CC BY
156
УДК 621.382.3
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
С.А. Белоусов, Ю.В. Иванов, А.А. Носов, С.И. Рембеза
В статье рассмотрена конструкция прозрачного тонкопленочного полевого транзистора с нижним расположением затвора. Обоснован выбор состава металлооксидных пленок и их параметров для использования в качестве элементов конструкции прозрачного тонкопленочного полевого транзистора
Ключевые слова: металлооксиды, тонкие пленки, полевой транзистор
Прозрачная электроника как новое направление развития микроэлектроники появилось недавно [1] и в настоящие время активно развивается в США [1], в Юго-восточной Азии [2] и в Европе [3]. Основным материалом прозрачной электроники являются тонкие металлооксидные пленки, которые представляют собой широкозонные полупроводники [4], прозрачные в видимом оптическом диапазоне.
Одним из первых изделий прозрачной электроники был металлооксидный
тонкопленочный полевой транзистор для обеспечения коммутации столбец-строка в прозрачных дисплеях на основе органических светодиодов (OLED) [3]. Для изготовления полевого транзистора необходимо иметь прозрачные хорошо проводящие пленки для истока, стока и затвора, прозрачную диэлектрическую пленку с определенной удельной емкостью для использования в качестве диэлектрика и пленку для канала транзистора с концентрацией свободных носителей зарядов 1015см"3^1017см"3. Таким образом, каждый элемент конструкции прозрачного транзистора должен иметь определенные электрофизические параметры.
Цель данной работы - разработка физических основ технологии изготовления металлооксидных пленок с электрофизическими параметрами, пригодными для синтеза всех элементов конструкции прозрачного полевого транзистора с нижним расположением затвора.
На рис. 1 приведена типичная конструкция прозрачного полевого транзистора с нижним расположением затвора [3]. В этом транзисторе исток, сток и затвор изготовлены из низкоомной пленки ITO (In2O3+10% SnO2).
Диэлектрик представляет собой многослойную структуру TiO2 и Al2O3, изготовленную методом атомно-слоевого нанесения для обеспечения
Белоусов Сергей Алексеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Иванов Юрий Васильевич - ВГТУ, студент, e-mail: [email protected]
Носов Андрей Андреевич - ВГТУ, магистрант, e-mail: [email protected]
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: [email protected]
удельной емкости ~ 60 нФ/см2. Пленка диэлектрика изготовлена методом молекулярно-лучевой эпитаксии. В прозрачных полевых транзисторах канал изготавливают из SnO2, ZnO или из многокомпонентных металлооксидов на их основе [3]. Основные требования к материалу канала - это заданные значения концентрации свободных носителей и величины их подвижности, а также минимизация числа дефектов на границах раздела диэлектрик - канал и исток, сток - канал.
Рис. 1. Типичная конструкция прозрачного полевого
транзистора с нижним расположением затвора
В данном транзисторе [3] канал изготовлен методом плазменного осаждения, стимулированного лазером, из мишени, содержащей одинаковые количества ZnO и SnO2. При таком соотношении компонентов образуется новая фаза Zn2SnO4, поэтому в своих исследованиях мы использовали мишень, изготовленную из этой трехкомпонентной фазы. Так как толщина канала обычно не превышает 200 нм, то концентрация носителей в нем должна обеспечивать распространение пространственного заряда на всю толщину канала при наличии небольшого (< 10 В) напряжения смещения на затворе. Этим условиям соответствуют значения концентраций свободных носителей в интервале см- . Величина подвижности носителей заряда определяет наклон вольт-амперной характеристики и для большинства металлооксидов не превышает 100 см2/В-с. Удельным электросопротивлением канала ограничивается максимальный ток, который может протекать между истоком и затвором транзистора, поэтому не целесообразно создавать приборную структуру с минимальными значениями концентрации носителей заряда в канале.
Для изготовления прозрачных
металлооксидных пленок используются методики ионно-лучевого и магнетронного распыления керамических мишеней на переменном токе [5], ионно-плазменного и химического осаждения, золь-гель технологии [6] и другие методы синтеза. В нашей работе будут рассмотрены образцы пленок, синтезированных ионно-лучевым и магнетронным распылением на переменном токе [7].
Для получения канала полевого транзистора была изготовлена керамическая мишень из фазы оксидов Zn2SnO4 методом сухого прессования. Распыление мишени осуществлялось в установке магнетронного распыления на переменном токе Angstrom E.I. Covap II в атмосфере Ar, в течение 5 часов до получения пленки толщиной 2 мкм (измерено эллипсометром ЛЭФ-753). Рентгеновский элементный анализ (JEOL-840) показал, что атомный состав пленки соответствует составу распыленной мишени с дефицитом кислорода. Сразу после изготовления пленки были практически не прозрачны, имели концентрацию носителей заряда 7-1018 см-3 и подвижность 45 см2/В-с. Низкоомная пленка с указанными параметрами не может быть использована в качестве канала транзистора. Поэтому для дополнительного окисления пленок и снижения концентрации носителей зарядов выполнялся отжиг на воздухе при Т=500°С в течение 4 часов. В результате отжига пленки стали прозрачными (Т ~ 70^80%), концентрация носителей заряда упала до величины 1,8-1016 см-3, а подвижность стала 30 см2/В-с. Такие параметры пленок соответствуют требованиям, предъявляемым к электрофизическим свойствам канала полевого транзистора
Пленка диэлектрика изготавливалась методом ионно-лучевого распыления мишени на основе TiO2 c примесью SiO2, т.к. необходимо было получить пленку заданной толщины с конкретным значением удельной емкости. Для определения оптимального элементного состава пленки TiO2+SiO2 изготавливалась наборная мишень из TiO2 с вставками SiO2 по методике, описанной в работе [7], что позволило получить пленки TiO2 с содержанием кремния от 8,8 до 16,7 % (JEOL-840).
Пленки диэлектрика были прозрачны с коэффициентом пропускания T в видимом оптическом диапазоне от 60 до 80 %, (рис. 2). Так как все исследуемые пленки имели одинаковую толщину, то из характера расположения интерференционных максимумов на рис. 2 следует, что с уменьшением содержания Si от 16,7 до 8,8 % в TiO2 коэффициент преломления пленок (n) увеличивается. Из интерференционных максимумов и минимумов спектров пропускания были рассчитаны значения коэффициентов преломления (n) и диэлектрической проницаемости (е) пленок с различным составом. Эти значения е изменялись от 2,7 до 15,5 по мере уменьшения содержания Si в пленках TiO2. Установлено, что пленки TiO2 с добавлением 8,8 % Si обладают заданной емкостью ~ 50 нФ/см2, что соответствует требованиям к
диэлектрическим свойствам пленок толщиной 200 нм, используемых в качестве диэлектрика в прозрачном полевом транзисторе.
Рис. 2. Коэффициенты пропускания тонких пленок ТЮ2 -БЮ2 для образцов с различной концентрацией кремния
(№ 2 - 16,7 % Si, № 5 - 13 % Si, № 9 - 8,8 % Б1)
Таким образом, ионно-лучевое или магнетронное распыление на переменном токе керамических мишеней состава ТЮ2 + 8,8 % 81 может быть использовано для изготовления диэлектрических слоев полевого прозрачного транзистора.
В качестве материала для истока, стока и затвора полевого транзистора чаще всего используются низкоомные пленки 1ТО (1п2О3+8пО2). Оксид индия, являясь основой этих пленок, непрерывно растет в цене, увеличивая стоимость транзисторов и прозрачных дисплеев. Поэтому многими исследователями проводятся поисковые работы по замене дорогостоящих пленок 1ТО на более дешевые прозрачные и низкоомные материалы. Одним из таких материалов является пленка 8пО2 с примесью нескольких процентов 8Ь2Оз [8].
Для определения оптимального соотношения 8пО2 и 8Ь2О3 нами использовалась керамическая составная мишень на основе 8пО2 с несколькими вставками 8Ь2О3, которая распылялась ионно-лучевым методом на переменном токе. Были получены аморфные прозрачные образцы желто -оранжевого цвета, электрические параметры которых сразу после синтеза не промерялись. Концентрация 8Ь в синтезированных пленках изменялась от 0,2 до 14,45 ат. %. По результатам более ранних работ [8, 9] известно, что низкоомные прозрачные пленки 8пО2 могут быть получены при добавлении ~ 10 % 8Ь2О3, что соответствует содержанию 8Ь ~ 4 %. Тонкие прозрачные низкоомные пленки могут быть использованы в качестве истока, стока и затвора в прозрачном полевом транзисторе. Полученные нами результаты подтверждают возможность замены дорогостоящих пленок 1ТО в технологии изготовления изделий прозрачной электроники на более доступную и дешевую пленку 8пО2 с добавкой 8Ь2О3, параметры которой сравнимы с параметрами низкоомных прозрачных пленок, изготовленных из 1ТО (1п2О3+8пО2).
В результате выполненных исследований разработана методика синтеза прозрачных тонких
пленок для изготовления всех элементов конструкции прозрачного полевого транзистора: канала, диэлектрика, истока, стока и затвора.
Для изготовления канала впервые использована керамическая мишень
трехкомпонентного состава Zn2SnO4 и определены режимы и условия термообработки для управления прозрачностью и электрическими параметрами пленок. Изготовлены пленки с оптимальными параметрами для использования в качестве канала полевого транзистора.
Пленки ТЮ2 с примесью SiO2 могут быть использованы в качестве диэлектрика в полевом транзисторе вместо дорогостоящих послойно наносимых методом молекулярно-лучевой эпитаксии пленок ТЮ2 и А1203. Пленки диэлектрика и пленки канала полевого транзистора можно синтезировать последовательным магнетронным распылением двух мишеней на переменном токе в одном технологическом процессе.
Дорогостоящие пленки 1ТО, широко используемые в настоящее время для истока, стока и затвора, можно заменить низкоомными
прозрачными пленками
(SnO2
+
Sb2Os),
изготавливаемыми на переменном токе. В работе установлено оптимальное соотношение между компонентами во всех пленках, используемых для изготовления прозрачного полевого транзистора.
Авторы благодарят профессора А.В. Ситникова за помощь при изготовлении образцов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного задания Министерства науки и образования по проекту № 280 и задания № 3.574.2014/К на выполнение научно-исследовательской работы в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности.
Литература
1. Wager, J.F. Transparent Electronics [Text] / J.F. Wager // Science. - 2003. - Vol. 300. - P. 1245-1246.
2. Wang, L. High-performance transparent inorganic-organic hybrid thin-film n-type transistors [Text] / L. Wang, M.H. Yoon, G. Lu, Y. Yang, A. Facchetti, T.J. Marks // Nat. Mater. - 2006. - Vol. 5. - № 11. - P. 893-900.
3. Riedl, T. Transparent electronics for see-through AMOLED displays [Text] / T. Riedl, P. Gorrn, W. Kowalsky // J. of display technology. - 2009. - Vol. 5. - № 12. - P. 501509.
4. Физико-химические свойства оксидов [Текст] / под ред. Г.В. Самсонова. - М.: Металлургия, 1978. - 472 с.
5. Формирование пленок диоксида олова с вертикально ориентированными нанопорами [Текст] / В.В. Симаков, И.В. Синев, А.В. Смирнов, С.Д. Сякина,
A.И. Гребенников, В.В. Кисин // Нанотехника. - 2011. - № 3. - С. 45-46.
6. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных пленок, полученных методом золь-гель-технологии [Текст] / И.А. Аверин, А.А. Карманов,
B.А. Мошников, Р.М. Печерская, И.А. Пронин // Известия вузов. Поволжский регион. Сер. Физико-математические науки. - 2012. - № 2 (22). - С. 155-162.
7. Изготовление и структура пленок многокомпонентных металлооксидов (SnO2)x:(ZnO)1_x (x = 0-1) [Текст] / С.И. Рембеза, Е.С. Рембеза, Е.Ю. Плотникова, Т.В. Свистова, E. Suvaci, E. Ozel, G. Tunocolu, C. Afiksari // Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии (НАНСИС-2013): тезисы IV Междунар. науч. конф. - Киев, 2013.
8. Sol-Gel Deposited Sb-Doped Tin Oxide Films [Text] / М. Guglielmi, E. Menegazzo, M. Paolizzi, G. Gasparro, D. Ganz, J. P Utz and M.A. Aegerter, L. Hubert-Pfalzgraf, Pascual and A. Dur' An, H.X. Willems and M. Van Bommel, L. B Uttgenbach, L. Costa // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 1998. - Vol. 13. - Issues 1-3. - P. 679-683.
9. Transparent conducting sol gel ATO coatings for display applications by an improved dip coating technique [Text] / G. Guzman, B. Dahmani, J. Puetz, M.A. Aegerter // Thin Solid Films. - 2006. - Vol. 502. - Issues 1-2. - P. 281285.
Воронежский государственный технический университет
TECHNOLOGICAL FEATURES OF MANUFACTURING TRANSPARENT
THIN FILM TRANSISTORS
S.A. Belousov, Y.V. Ivanov, Â.Â. Nosov, S.I. Rembeza
In the article exanimated design of transparent thin film field transistor with bottom gate. Argnmented elements composition and electrical properties of metaloxide films using as construction of transparent thin film field transistor
Key words: metaloxides, thin films, field effect transistor
