Fabrication and characterization of a-Si:H based top-gate and bottom-gate thin-film transistors (TFTs)

Abstract

Hidrojene amorf silikon ince film transistörler düz panel ekranlar, tıbbi görüntüleme cihazları ve sensörler gibi geniş alan elektronik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Özellikle aktif-matris LCD ve aktif-matris OLED ekranların arka-planları anahtarlama ve sürücü elemanlar olarak kullanılan a-Si:H aktif katmanlarını içeren TFT'lere dayanmaktadır. Geniş alanlar üzerinde uniform depozisyon, düşük depozisyon sıcaklıkları, standart fabrikasyon süreci ve düşük maliyet nedenlerinden dolayı a-Si:H geniş alan elektroniği için tercih edilen ve düz panel ekran endüstrisinde lider bir malzemedir. a-Si:H tabanlı TFT'ler metal-yalıtkan-yarı iletken alan etkili transistörlerdir (MISFET) ve dolayısıyla yapısında kapı metali, kapı dielektriği ve yarı iletken aktif katmanlarını içerirler. Bu çalışmada, Cr, SiNx/Al2O3 (iki katmanlı kapı dielektriği yapısı) ve a-Si:H sırasıyla kapı metali, kapı dielektriği ve aktif kanal katmanı malzemesi olarak kullanılmıştır. Üst-kapı ve alt-kapı konfigürasyonlarında a-Si:H tabanlı TFT aygıtlarının üretilmesi için kullanılan mikrofabrikasyon teknikleri şunlardır: fotolitografi, PECVD (amorf silikon ve silikon nitrat depozisyonları için), ALD (alümina depozisyonu için), DC magnetron sıçratma tekniği (metal depozisyonları için), ıslak aşındırma ve kuru aşındırma olarak ICP-RIE sistemi. Bu çalışmanın amacı, geniş alan elektroniği için, özellikle AMOLED uygulamaları için a-Si:H tabanlı TFT aygıtları geliştirmektir. Bu amaç doğrultusunda, üst-kapı ve alt-kapı mimarilerinde TFT aygıtlarının fabrikasyonları başarıyla gerçekleştirilmiştir. TFT'lerin Id-Vds karakteristikleri elde edilmiş ve çalışılmıştır. Bazı aygıtlardan yaklaşık 0.08 cm2V-1s-1 alan etkisi mobilitesi elde edilmiştir. Çalışma sonucunda, bu TFT'lerin AMOLED uygulamalarında kullanılabilirlikleri kanıtlanmıştır.

Hydrogenated amorphous silicon thin-film transistors are widely used devices for large-area electronics applications such as flat panel displays, medical imagers, and sensors. Especially the backplanes of active-matrix LCDs and active-matrix OLEDs are based on TFTs comprising a-Si:H active layers using as switching and driving devices. a-Si:H is the material of choice for large area electronics and leading in the flat panel display industry due to its possibility of uniform deposition over large areas, low deposition temperatures, standard fabrication process, and low costs. a-Si:H based TFTs are metal-insulator-semiconductor field effect transistors (MISFETs) which include three device layers to operate: a gate metal, a gate dielectric, and a semiconductor active layer. In this study, Cr, SiNx/Al2O3 (bilayer gate dielectric structure), and a-Si:H were used as gate metal, gate dielectric, and active channel layer material, respectively. The following microfabrication techniques are used for fabricating a-Si:H based TFT devices in top-gate and bottom-gate configurations: photolithography, PECVD (for amorphous silicon and silicon nitride depositions), ALD (for alumina deposition), DC magnetron sputtering (for metal depositions), wet etching, and ICP-RIE as a dry etching. The aim of this study is to develop a-Si:H based TFT devices for large area electronics, especially AMOLED applications. In accordance with this purpose, we have successfully fabricated TFT devices with top-gate and bottom-gate architectures. The Id-Vds characteristics of TFTs were obtained and studied. Field effect mobility of approximately 0.08 cm2V-1s-1 was obtained from some of the devices. As a result of the study, these TFTs proved to be used in AMOLED applications.