L’effet des paramètres d’anodisation sur la couche diélectrique d’oxyde d’aluminium des transistors minces

L’électronique flexible, imprimée et de grande surface représente un marché émergent qui devrait attirer des milliards de dollars en investissements au cours des prochaines années. Pour atteindre les exigences matérielles de la nouvelle génération de smartphones, d’écrans à panneaux plats et d’appareils Internet-of-things (IoT), il existe une énorme demande de matériaux légers, flexibles et avec une transmission optique dans le spectre visible sans sacrifier la vitesse et les hautes performances. Un point clé est de trouver des alternatives au silicium amorphe (a-Si) comme matériau actif des transistors à couches minces (TTET) utilisés dans les circuits d’entraînement de la plupart des écrans de matrice active actuels (DMLA). a-Si a une faible compatibilité aux substrats flexibles et transparents, présente des limites au traitement à grande surface, et a une mobilité de porteur d’environ 1 cm^{2V -1-s -1}, qui ne peut pas répondre aux besoins de résolution et de taux de rafraîchissement pour les écrans de prochaine génération. Oxydes métalliques semi-conduits (SMO) tels que l’oxyde de zinc (ZnO)^1,2,3, oxyde de zinc indium (IZO)^4,5 et oxyde de zinc gallium indium (IGZO)^6,7 sont de bons candidats pour remplacer a-Si comme la couche active de TFTs parce qu’ils sont très transparents dans le spectre visible, sont compatibles avec les substrats flexibles et les dépôts de grande surface et peuvent atteindre des mobilités aussi élevées que 80 cm²V^{-1-s -1}. En outre, les SMO peuvent être traités dans une variété de méthodes: RF pulvérisation⁶ , dépôt laser pulsé (PLD)⁸, dépôt de vapeur chimique (CVD)⁹, dépôt de couche atomique (ALD)¹⁰, spin-coating¹¹, impression jet d’encre¹² et spray-pyrolyse¹³.

Cependant, peu de défis tels que le contrôle des défauts intrinsèques, les instabilités stimulées par l’air et les UV et la formation d’états localisés d’interface semi-conducteurs/diélectriques doivent encore être surmontés pour permettre la fabrication à grande échelle de circuits comprenant des TTET basés sur SMO. Parmi les caractéristiques souhaitées des TFT haute performance, on peut mentionner la faible consommation d’énergie, la basse tension de fonctionnement, le courant de fuite à basse porte, la stabilité de tension de seuil et le fonctionnement de fréquence de large bande, qui sont extrêmement dépendants des diélectriques de porte (et de l’interface semi-conducteur/isolant aussi bien). En ce sens, les matériaux diélectriques^14,15,16 sont particulièrement intéressants puisqu’ils fournissent de grandes valeurs de capacitance par zone unitaire et de courants de faibles fuites à l’aide de films relativement minces. L’oxyde d’aluminium (Al₂O₃) est un matériau prometteur pour la couche diélectrique TFT puisqu’il présente une constante diélectrique élevée (de 8 à 12), une résistance diélectrique élevée, une résistance électrique élevée, une forte stabilité thermique et peut être traitée comme des films extrêmement fins et uniformes par plusieurs techniques de dépôt/croissance différentes^{15,17,18,19,20,21}. En outre, l’aluminium est le troisième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, ce qui signifie qu’il est facilement disponible et relativement bon marché par rapport à d’autres éléments utilisés pour produire des diélectriques à haute teneur en k.

Bien que le dépôt/croissance d’Al₂O₃ mince (moins de 100 nm) films peuvent être atteints avec succès par des techniques telles que le magnétron RF pulvérisation, dépôt de vapeur chimique (CVD), dépôt de couche atomique (ALD), la croissance par anodisation d’une mince couche métallique Al^{17,18,21,22,23,24,25,26} est particulièrement intéressante pour l’électronique flexible en raison de sa simplicité, faible coût, basse température, et le contrôle de l’épaisseur du film à l’échelle nanométrique. En outre, l’anodisation a un grand potentiel pour le traitement du roll-to-roll (R2R), qui peut être facilement adapté des techniques de traitement déjà utilisées au niveau industriel, permettant une mise à l’échelle rapide de la fabrication.

Al₂O₃ croissance par anodisation de métal Al peut être décrit par les équations suivantes

2Al 3 / 2 0₂ ‘ Al₂O₃ (1)

2Al 3H₂O – Al₂O₃ – 3H₂ (2)

où l’oxygène est fourni par l’oxygène dissous dans la solution d’électrolyte ou par les molécules adsorbed à la surface du film, tandis que les molécules d’eau sont rapidement disponibles à partir de la solution d’électrolyte. La rugosité du film anodisé (qui affecte la mobilité TFT due à la dispersion des porteurs à l’interface semi-conductrice/diélectrique) et la densité des états localisés à l’interface semi-conductrice/déralectrique (qui affecte la tension seuil TFT et l’hystérecntie électrique) dépendent fortement des paramètres du processus d’anodisation, pour n’en nommer que quelques-uns : la teneur en eau, la température et le pH de l’électrolyte^24,27. D’autres facteurs liés au dépôt de la couche Al (comme le taux d’évaporation et l’épaisseur des métaux) ou aux processus de post-anodisation (comme l’annealing) peuvent également influencer les performances électriques des TTET fabriqués. L’effet de ces facteurs multiples sur les paramètres de réponse peut être étudié en variant chaque facteur individuellement tout en gardant tous les autres facteurs constants, ce qui est une tâche extrêmement longue et inefficace. La conception d’expériences (DOE), d’autre part, est une méthode statistique basée sur la variation simultanée de plusieurs paramètres, ce qui permet d’identifier les facteurs les plus importants sur une réponse de performance du système /appareil en utilisant un nombre relativement réduit d’expériences²⁸.

Récemment, nous avons utilisé l’analyse multivariate basée sur un Plackett-Burman²⁹ DOE pour analyser les effets des paramètres d’anodisation Al₂O₃ sur la performance des TFT ZnO¹⁸sputtered . Les résultats ont été utilisés pour trouver les facteurs les plus significatifs pour plusieurs paramètres de réponse différents et appliqués à l’optimisation des performances de l’appareil ne changeant que les paramètres liés au processus d’anodisation de la couche diélectrique.

Les travaux actuels présentent l’ensemble du protocole pour la fabrication de TFT à l’aide de films Anodisés Al₂O₃ comme diélectriques porte, ainsi qu’une description détaillée pour l’étude de l’influence des multiples paramètres d’anodisation sur la performance électrique de l’appareil en utilisant un DOE Plackett-Burman. L’importance des effets sur les paramètres de réponse TFT tels que la mobilité du transporteur est déterminée par l’analyse de la variance (ANOVA) aux résultats obtenus à partir des expériences.