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Publicação
Multi-layered semiconductors for improved reliability and performance of amorphous oxide thin-film transistors
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The continuous development of modern and flexible electronics requires thin-film transistors (TFTs)
combining high performance, low power consumption, and reliable operation. Amorphous oxide semi-
conductors, particularly amorphous indium–gallium–zinc oxide (a-IGZO), have emerged as promising
candidates due to their transparency, high carrier mobility, and compatibility with low-temperature pro-
cesses. Nevertheless, challenges remain regarding stability and long-term reliability, which motivates
strategies based on active layer engineering.
This dissertation explores the concept of dual-active-layer (DAL) TFTs to overcome intrinsic limi-
tations of single-active-layer (SAL) structures. In this work, devices were fabricated combining a high-
mobility semiconductor, amorphous indium–zinc oxide (a-IZO), with a lower-mobility but more stable
semiconductor, a-IGZO. Two DAL configurations were studied: DAL_A, with a-IGZO as the layer
closest to the gate dielectric and a-IZO on top, and DAL_B, with the opposite arrangement. Different a-
IZO thicknesses (1 nm, 2 nm, and 5 nm) were investigated, and their performance compared to reference
SAL a-IGZO TFTs of 40 nm (SAL_IGZO). In addition, a study on SAL structures with varying a-IGZO
thicknesses was carried out to evaluate the impact of active layer scaling.
The results demonstrated that proper selection of thickness and layer order strongly impacts mobility,
threshold voltage (VTH), subthreshold swing (SS), and device stability. In particular, the DAL_B config-
uration with 5 nm of a-IZO delivered field-effect mobility (μFE) of ~47 cm² V⁻¹ s⁻¹, about twice the
SAL_IGZO reference (~20 cm² V⁻¹ s⁻¹), but as a trade-off a negative VTH shift occurs. 1 and 2 nm a-IZO
layer did not yield a measurable dual-layer effect on μFE, but resulted in a significant improvement in
PGBS stability compared to SAL device. Regarding SAL thickness, 25 nm enabled lower SS, more
positive VTH and superior stability under bias stress compared to 40 nm/15 nm thick devices.
Overall, active layer engineering demonstrated to be an effective route to mature oxide TFTs toward
high-performance and reliable flexible electronics.
O desenvolvimento contínuo da eletrónica moderna e flexível exige transístores de película fina (TFTs) que combinem elevado desempenho, baixo consumo de energia e operação fiável. Os semicon- dutores de óxido amorfo, em particular o óxido de índio–gálio–zinco amorfo (a-IGZO), surgem como candidatos promissores devido à sua transparência, elevada mobilidade de portadores e compatibilidade com processos a baixa temperatura. Contudo, persistem desafios relativos à estabilidade e à fiabilidade a longo prazo, o que motiva estratégias baseadas na engenharia da camada ativa. Esta dissertação explora o conceito de TFTs com dupla camada ativa (DAL) como forma de ultra- passar limitações intrínsecas das estruturas de camada ativa simples (SAL). Neste trabalho, fabricaram- se dispositivos combinando um semicondutor de elevada mobilidade, o óxido de índio–zinco amorfo (a-IZO), com um semicondutor de menor mobilidade mas mais estável, o a-IGZO. Estudaram-se duas configurações DAL: DAL_A, com a-IGZO como camada adjacente ao isolante de porta e a-IZO por cima, e DAL_B, com a disposição inversa. Investigaram-se diferentes espessuras de a-IZO (1 nm, 2 nm e 5 nm), comparando o seu desempenho com TFTs SAL de a-IGZO de 40 nm (SAL_IGZO) de referên- cia. Adicionalmente, realizou-se um estudo de SAL com várias espessuras de a-IGZO para avaliar o impacto da redução da camada ativa. Os resultados demonstram que a seleção adequada da espessura e da ordem das camadas influencia fortemente a mobilidade, threshold voltage (VTH), subthreshold swing (SS) e a estabilidade do disposi- tivo. Em particular, a configuração DAL_B com 5 nm de a-IZO na camada inferior proporcionou um field-effect mobility (μFE) de ~47 cm² V⁻¹ s⁻¹, cerca do dobro da referência SAL_IGZO (~20 cm² V⁻¹ s⁻¹), mas provoca um deslocamento negativo acentuado da VTH. A camada de a-IZO com 1 e 2 nm não produziram um efeito mensurável de dupla camada, mas resulta numa melhoria significativa da estabi- lidade sob PGBS em comparação com o dispositivo SAL. Relativamente à espessura de SAL, os 25 nm permitiram obter uma SS mais baixa, um VTH mais positivos uma estabilidade superior sob bias stress tests em comparação com os dispositivos de 40 nm/15 nm.
O desenvolvimento contínuo da eletrónica moderna e flexível exige transístores de película fina (TFTs) que combinem elevado desempenho, baixo consumo de energia e operação fiável. Os semicon- dutores de óxido amorfo, em particular o óxido de índio–gálio–zinco amorfo (a-IGZO), surgem como candidatos promissores devido à sua transparência, elevada mobilidade de portadores e compatibilidade com processos a baixa temperatura. Contudo, persistem desafios relativos à estabilidade e à fiabilidade a longo prazo, o que motiva estratégias baseadas na engenharia da camada ativa. Esta dissertação explora o conceito de TFTs com dupla camada ativa (DAL) como forma de ultra- passar limitações intrínsecas das estruturas de camada ativa simples (SAL). Neste trabalho, fabricaram- se dispositivos combinando um semicondutor de elevada mobilidade, o óxido de índio–zinco amorfo (a-IZO), com um semicondutor de menor mobilidade mas mais estável, o a-IGZO. Estudaram-se duas configurações DAL: DAL_A, com a-IGZO como camada adjacente ao isolante de porta e a-IZO por cima, e DAL_B, com a disposição inversa. Investigaram-se diferentes espessuras de a-IZO (1 nm, 2 nm e 5 nm), comparando o seu desempenho com TFTs SAL de a-IGZO de 40 nm (SAL_IGZO) de referên- cia. Adicionalmente, realizou-se um estudo de SAL com várias espessuras de a-IGZO para avaliar o impacto da redução da camada ativa. Os resultados demonstram que a seleção adequada da espessura e da ordem das camadas influencia fortemente a mobilidade, threshold voltage (VTH), subthreshold swing (SS) e a estabilidade do disposi- tivo. Em particular, a configuração DAL_B com 5 nm de a-IZO na camada inferior proporcionou um field-effect mobility (μFE) de ~47 cm² V⁻¹ s⁻¹, cerca do dobro da referência SAL_IGZO (~20 cm² V⁻¹ s⁻¹), mas provoca um deslocamento negativo acentuado da VTH. A camada de a-IZO com 1 e 2 nm não produziram um efeito mensurável de dupla camada, mas resulta numa melhoria significativa da estabi- lidade sob PGBS em comparação com o dispositivo SAL. Relativamente à espessura de SAL, os 25 nm permitiram obter uma SS mais baixa, um VTH mais positivos uma estabilidade superior sob bias stress tests em comparação com os dispositivos de 40 nm/15 nm.
Descrição
Palavras-chave
Dual-Active layer Thin-film transistors a-IGZO a-IZO