Гибкая, печатная и большая электроника представляет собой развивающийся рынок, который, как ожидается, привлечет миллиарды долларов инвестиций в ближайшие годы. Для достижения аппаратных требований к новому поколению смартфонов, плоских дисплеев и устройств Интернета вещей (IoT) существует огромный спрос на легкие, гибкие материалы и с оптической передачей в видимом спектре без ущерба для скорости и высокой производительности. Ключевым моментом является поиск альтернатив аморфным кремниям (a-Si) в качестве активного материала тонкопленочных транзисторов (TFT), используемых в приводных схемах большинства текущих активных матричных дисплеев (AMD). a-Si имеет низкую совместимость с гибкими и прозрачными субстратами, представляет ограничения для обработки большой площади, и имеет мобильность перевозчика около 1 см²зВ^-1,которые не могут удовлетворить потребности разрешения и скорости обновления для дисплеев следующего поколения. Полупроводниковые оксиды металла (СМО), такие как оксид цинка (ЗНО)^1,2,3, оксид цинка индиума (ИЗО)^4,5 и оксид цинка галлия (ИГЗО)^6,7 являются хорошими кандидатами на замену a-Si в качестве активного слоя TFTs, потому что они очень прозрачны в видимом спектре, совместимы с гибкими субстратами и осаждением большой площади и могут достигать мобильности до 80 см^2-1-1. Кроме того, СМО могут быть обработаны различными методами: RF распыления⁶ , импульсное лазерное осаждение (PLD)⁸, химическое осаждение пара (CVD)⁹, осаждение атомного слоя (ALD)¹⁰, спин-покрытие¹¹, чернила-струи печати¹² и спрей-пиролиза¹³.

Тем не менее, несколько проблем, таких как контроль внутренних дефектов, воздух / УФ стимулировали нестабильность и формирование полупроводникового/ диэлектрического интерфейса локализованных состояний по-прежнему необходимо преодолеть, чтобы широкомасштабное производство схем, включающих SMO основе TFTs. Среди желаемых характеристик высокопроизводительных TFTs можно упомянуть низкое энергопотребление, низкое напряжение работы, ток утечки ворот, стабильность порогового напряжения и широкодиапазонную частотную работу, которые чрезвычайно зависят от диэлектрики ворот (и полупроводникового/изоляторного интерфейса). В этом смысле высокоэлектрические материалы^14,,15,,16 особенно интересны, поскольку они обеспечивают большие значения емости на единицу площади и низкие токи утечки с использованием относительно тонких пленок. Оксид алюминия (Al₂O₃) является перспективным материалом для dielectric слоя TFT, так как он представляет собой высокую диэлектрическую константу (от 8 до 12), высокую диэлектрическую прочность, высокую электрическую устойчивость, высокую тепловую устойчивость и может быть обработан как чрезвычайно тонкие и однородные пленки несколькими различными методами осаждения/роста^{15,17,18,,19,,20,21}. Кроме того, алюминий является третьим наиболее распространенным элементом в земной коре, что означает, что он легко доступен и относительно дешев по сравнению с другими элементами, используемыми для производства диэлектрики с высоким уровнем к.

Хотя осаждение / рост Al₂O₃ тонких (ниже 100 нм) пленки могут быть успешно достигнуты такими методами, как RF магнетрон распыления, химическое осаждение паров (CVD), осаждение атомного слоя (ALD), рост за счет анодизации тонкого металлического слоя Al^{17,,18,,21,,22,,23,,24,,25,,26} особенно интересен для гибкой электроники из-за ее простоты, низкой стоимости, низкой температуры и толщины пленки в нанометрической шкале. Кроме того, анодизация имеет большой потенциал для переработки рулона к рулону (R2R), которая может быть легко адаптирована из методов обработки, уже используемых на промышленном уровне, что позволяет быстрое наращивание производства.

Аль₂O₃ рост анодизации металлических Al может быть описано в следующих уравнениях

2Аль-3 / 2 0₂ и Аль₂О₃ (1)

2Аль-3 H₂O и Al₂O₃ ХH₂ (2)

где кислород обеспечивается растворенного кислорода в растворе электролитных растворах или адсорбированными молекулами на поверхности пленки, в то время как молекулы воды быстро доступны из раствора электролита. Анодизированная неровность пленки (которая влияет на мобильность TFT из-за рассеяния носителя на полупроводниковом/диэлектриковом интерфейсе) и плотности локализованных состояний на полупроводниковом/диэлектрическом интерфейсе (который влияет на напряжение порога TFT и электрический истерика) сильно зависят от параметров процесса анодизации, чтобы назвать несколько: содержание воды, температуру и рН электроэлектрического^,24.²⁴ Другие факторы, связанные с осаждением слоя Al (например, скорость испарения и толщина металла) или постанодизации процессов (например, аннулирование) также может повлиять на электрическую производительность изготовленных TFTs. Влияние этих многочисленных факторов на параметры реакции может быть изучено путем изменения каждого фактора в отдельности, сохраняя при этом все другие факторы постоянными, что является чрезвычайно трудоемкой и неэффективной задачей. Проектирование экспериментов (DOE), с другой стороны, является статистическим методом, основанным на одновременном изменении нескольких параметров, который позволяет выявить наиболее значимые факторы в ответе на производительность системы/устройства с помощью относительно сокращенного числа экспериментов²⁸.

Недавно мы использовали многовариантный анализ на основе Plackett-Burman²⁹ DOE для анализа влияния параметров анодизации Al₂O₃ на производительность распыленных TFTs¹⁸. Результаты были использованы для поиска наиболее значимых факторов для нескольких различных параметров ответа и применены к оптимизации производительности устройства, изменяя только параметры, связанные с процессом анодизации диэлектрического слоя.

Текущая работа представляет весь протокол для производства TFTs с использованием анодированных Al₂O₃ пленки в качестве ворот dielectrics, а также подробное описание для изучения влияния нескольких параметров анодизации на устройство электрической производительности с помощью Plackett-Burman DOE. Значение влияния на параметры реакции TFT, такие как мобильность носителя, определяется путем проведения анализа дисперсии (ANOVA) к результатам, полученным в ходе экспериментов.