автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Синтез и свойства металлоксидных пленок на основе ZnO, SnO2 и TiO2 для прозрачных полевых транзисторов

На правах рукописи

ПЛОТНИКОВА Екатерина Юрьевна

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛООКСИДНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ гпО, 8п02 И ТЮ2 ДЛЯ ПРОЗРАЧНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЙ 2015

Воронеж-2015

005568389

005568389

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-

руководитель математических наук, профессор Рембеза Станислав Иванович

Официальные Рябцев Станислав Викторович,

оппоненты: доктор физико-математических наук,

заведующий лабораторией кафедры физики твердого тела и наноструктур ФГБОУ ВПО «ВГУ»;

оппоненты:

Мещеряков Сергей Александрович,

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ФАУ «ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК России»

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электронной техники» (г. Воронеж)

Защита состоится «16» июня 2015 г. в 15— часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте www.vorstu.ru.

Автореферат разослан « 14 » апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.037.06

Горлов Митрофан Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современный уровень развития промышленности таков, что в течение одного или двух десятилетий технологический прорыв превращается в коммерчески выгодный продукт. Например, заявленная США в 2003 году технология изготовления прозрачных тонкопленочных транзисторов (transparent thin film transistors, TTFT) в ближайшее время может получить широкое распространение.

Прозрачные тонкопленочные металлооксидные транзисторы - это одна из наиболее перспективных тем для исследований в области прозрачной электроники.

Важно отметить, что хотя прозрачная электроника и является «новаторским продуктом», на сегодняшний день технологии и параметры TTFT не до конца изучены и плохо воспроизводимы из-за высоких требований к величинам токов во включенном и выключенном состоянии приборов и из-за необходимости использования непрозрачных токопроводящих дорожек в прозрачной схеме. Пока прозрачная электроника является развивающейся отраслью, можно предположить, что это развитие будет ускорено и доведено до логического завершения, если вести параллельные исследования материалов, приборов, схем и возможных областей использования. Такой подход, теоретически, должен ускорить развитие технологии, найти новые пути и подготовить платформу для ее промышленного внедрения.

Современное состояние проблемы таково, что существуют так называемые head-up дисплеи - светодиодные устройства высокой яркости, которые позволяют проецировать информацию на ветровое стекло автомобиля или на специальную прозрачную панель в самолетах. Но изображение на триплексе двоится, а на обычных поверхностях искажено, не четко и не достаточно информативно. Поэтому перспективным направлением оказываются прозрачные дисплеи на органических светодиодах и прозрачных тонкопленочных транзисторах. За рубежом исследованиями по данной тематике заняты такие известные кампании, как Canon, Samsung и LG. В современных зарубежных разработках используются полупроводниковые материалы (Si, GaAs, GaN) стоимостью от сотен до тысяч долларов за килограмм. В разрабатываемом транзисторе предполагается использование металлооксидов стоимостью до нескольких десятков долларов за килограмм. В России исследования в области прозрачных тонкопленочных транзисторов практически не ведутся.

Исходя из перспективности и востребованности разработок по тематике TTFT и экономической целесообразности поиска более дешевых материалов для разрабатываемой технологии выбранная тема исследования является актуальной.

Работа выполнялась по программе совместного гранта РФФИ-TUBITAK № 12-02-91373-СТ_а (Россия - Турция) «Физические свойства

нанокомпозитных порошков и тонких пленок (8п02)х(2п0)].х (х = 0 - 1), синтезированных различными методами»; по проекту № 280 и заданию № 3.574.2014/К на выполнение НИР в рамках проектной части ГЗ в сфере научной деятельности и по теме НИОКР «Разработка технологии изготовления прозрачных тонкопленочных транзисторов как управляющих элементов в прозрачных дисплеях» программы УМНИК по Государственному контракту №11720р/17208.

Цель работы. Синтезировать тонкие металлооксидные пленки различного состава на основе 8п02, ZnO и ТЮ2 и выбрать пригодные для использования в качестве элементов ТТРТ. Построить модель ТТРТ, с высокой точностью описывающую его вольт-амперные характеристики с учетом реальных параметров используемых прозрачных пленок.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Синтезировать металлооксидные пленки ТЮ2 + 8Ю2 с различным содержанием 8Ю2, исследовать их электрические и физические параметры и оценить возможность использования в качестве подзатворного диэлектрика полевого транзистора.

2. Синтезировать металлооксидные пленки оксидов ($п02)х(7п0)].х, х=0-И от чистого оксида олова до чистого оксида цинка. Исследовать их электрофизические параметры и выбрать образцы, наиболее подходящие для изготовления прозрачных проводящих пленок истока, стока, затвора и полупроводниковой пленки канала.

3. Проанализировать эффекты, возникающие в реальных тонкопленочных транзисторах, и построить физические модели, учитывающие эти эффекты. Разработать модель ТТРТ, позволяющую рассчитать вольт-амперные характеристики транзистора с учетом реальных параметров структуры.

Объекты исследования.

В качестве объектов исследования выбраны:

а) тонкие пленки металлооксидов (8п02)х(2п0)1.х, х = 0-Н и ТЮ2+(0-Ч0) % БЮ2, изготовленные ионно-лучевым распылением керамических мишеней;

б) макетные образцы ТТРТ, предоставленные для совместной работы профессором Томасом Риддлем (г. Вупперталь, Германия).

Научная новнзна. В результате выполнения диссертации получены следующие новые научные и технические результаты:

1. Исследованы изготовленные металлооксидные пленки различного состава на основе 8п02, ТпО и ТЮ2; определены образцы, характеристики которых позволяют использовать их в качестве элементов конструкции прозрачного тонкопленочного транзистора.

2. Разработана комплексная модель ИТТ, учитывающая одновременное влияние сопротивления и емкости в канале тонкопленочного полевого транзистора.

Практическая значимость.

1. Определены режимы ионно-лучевого распыления и составы сложного оксида ТЮ2+5Ю2, которые могут быть использованы для изготовления подзатворного диэлектрика в прозрачном тонкопленочном полевом транзисторе.

2. Определены режимы распыления и конкретные составы для соединений оксидов цинка - олова, которые могут быть использованы в качестве активной и проводящей областей в прозрачном тонкопленочном полевом транзисторе.

3. Физическая модель, описывающая поведение тонкопленочного полевого транзистора с учетом процессов, протекающих в реальном приборе, может быть использована при анализе характеристик ТТРТ и при их проектировании.

4. Разработано оригинальное программное обеспечение, позволяющее строить физические модели вольт-амперных характеристик тонкопленочных полевых транзисторов с помощью электронно-вычислительной техники.

Достоверность результатов.

Результаты измерений характеристик тонких пленок получены на сертифицированном оборудовании кафедр ППЭНЭ и ФТТ ВГТУ, центра коллективного пользования ВГУ, НИИ Электронной техники и ВЗПП «Микрон». При измерении электрофизических параметров тонких пленок метало-оксидов показана воспроизводимость характеристик от образца к образцу.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Изготовленная с помощью распыления керамических мишеней ионно-лучевым методом в атмосфере аргона пленка состава ТЮ2 + 8Ю2 (27,22 ат. % Т1 и 8,94 ат. % Б!) может быть использована в качестве подзатворного диэлектрика в прозрачном тонкопленочном транзисторе.

2. Изготовленная с помощью распыления керамических мишеней ионно-лучевым методом в атмосфере аргона пленка состава TZO (Бп02 + гпО): 38 - 40 ат. % 8п и 0,5 - 1,5 ат. % Тп может быть использована для формирования области канала в транзисторе.

3. Изготовленная с помощью распыления керамических мишеней ионно-лучевым методом в атмосфере аргона пленка состава ХЮ (2пО + БпОг): 1 - 2 ат. % Бп и 46,5 - 47 ат. % Хп пригодна для формирования областей истока, стока и затвора в полевом транзисторе.

4. Комплексная модель для физического моделирования ТТРТ с учетом емкости и сопротивления канала транзистора описывает поведение выходных характеристик реального прибора с точностью более 99 %.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на: XI международной научной конференции «Химия твердого тела: наноматериа-лы, нанотехнологии» (Ставрополь, Изд. Сев.Кав.ГТУ., 2012); V международной научно-технической конференции «Микро- и нанотехнологии в электронике» (Нальчик, КБГУ, 2012); региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок — прорыв в будущее» (Воронеж, Воронежский ЦНТИ, 2012); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Воронеж, ВИ ГПС МЧС России, 2013); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела» (Минск, 2013); TV Международной научной конференции «Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии» (Киев, 2013); 5 Традиционном Всероссийском Семинаре «Элементарная база силовой электроники, СБИС и ПЛИС специального назначения» (Воронеж, ВЗПП-С, 2013); Международных научно-методических семинарах «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, МЭИ, 2013-2014 гг.); 13 Международном конгрессе по керамике «13th International Ceramics Congress» (Италия, 2014); Международной научно-практической конференции «Комплексные проблемы техно-сферной безопасности» (Воронеж, ВГТУ, 2014); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов и студентов (Воронеж, ФГБОУ ВПО ВГТУ, 2011 -2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 41 научная работа, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получен 1 патент на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 2, 4-9, 1116, 18, 20-24] обсуждение задачи, ее решение, обработка и анализ результатов, участие в подготовке научной публикации для печати; [3, 10, 17, 19] разработка прикладного программного обеспечения для математического моделирования разрабатываемых структур; анализ результатов моделирования и сравнение с практическими измерениями характеристик прозрачных тонкопленочных транзисторов.

Личный авторский вклад в работу. Автор принимал непосредственное участие в определении цели работы и постановке задач исследований. В основу диссертации положены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, проводившихся на образцах тонких пленок металлооксидов, разработка программного обеспечения для оптимизации анализа исследований образцов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 127 наименований, и 5 приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 25 таблиц и 70 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов, их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе изложены основные этапы становления прозрачной электроники в мировой практике. Рассматриваются материалы и технологии, сравниваются электрофизические характеристики приборов, изготовленных на их основе. На основе проведенного анализа обосновывается выбор метал-лооксидов Бп02, гпО, ТЮ2 и 8Ю2, которые используются в дальнейшем исследовании для определения составов пленок, наиболее подходящих для изготовления Т1ТТ, а именно для областей истока, стока и затвора (высокая проводимость прозрачной пленки), для канала (полупроводник) и для подза-творного диэлектрика (оптимальная величина диэлектрической проницаемости на заданной толщине пленки). Описываются электрофизические и химические свойства металлооксидов. Также приводится методика построения моделей вольт-амперных характеристик идеального тонкопленочного транзистора. При использовании и оптимизации этих моделей прогнозируется поведение вольт-амперных характеристик разрабатываемого транзистора с учетом измеренных параметров тонких пленок.

Вторая глава посвящена анализу свойств порошков-прекурсоров ТЮ2, 2пО и 8п02, изготовлению керамических мишеней из этих порошков, составлению наборных мишеней для ионно-лучевого напыления тонких пленок металлооксидов 8п02+2п0 и ТЮ2+БЮ2 с различной концентрацией компонентов.

Исследования структуры зерен порошка диоксида титана ТЮ2 и его фазового состава, проводившиеся на дифрактометре ДРОН-З.О, показали, что порошок соответствует структуре рутила и имеет зерна размером 1^2 мкм, объединенные в кластеры размером 10-Н2 мкм.

Оксид олова имел структуру рутила, размер зерен составил 113,6 нм (в коммерческом образце) и 4,8 нм (в образце, синтезированном гидротермальным методом) и чистоту 99,968 %. Зерна 8п02 сгруппированы в кластеры размером до 0,4 мкм округлой формы.

Размер зерен в гпО составил 0,2-Ю,5 мкм (в коммерческом образце) и 7^9 мкм (в образце, синтезированном гидротермальным методом). Чистота образцов: 99,97 %. Структура порошка ТпО - вюрцит. Структура зерен -дендровидная с нерегулярными разветвлениями.

Порошки Sn02 и ZnO, синтезированные гидротермальным методом, были предоставлены для изготовления керамических мишеней сотрудниками Анатолийского университета (Турция) по плану совместных работ.

Была разработана методика сухого прессования навесок керамических мишеней. Прессование навесок размером 1x8,5 см2 (1><6,5 см2 в случае ZnO) проводилось на разборной пресс-форме оригинальной конструкции.

Использованы комбинации навесок для напыления образцов с переменными концентрациями исходных элементов, сформированные таким образом, чтобы получить как диэлектрические, так и полупроводниковые и проводящие пленки разного состава.

Описаны параметры ионно-лучевого распыления мишеней по схемам:

а) мишень ТЮ2 + 5 навесок Si02,

б) мишень Sn02 + 5 навесок ZnO,

в) мишень ZnO + 4 навески Sn02.

В третьей главе приводятся результаты исследований электрофизических параметров напыленных пленок.

Толщина образцов, напыляемых в течение 240 и 300 минут, измерялась на микроинтерферометре МИИ-4 с погрешностью прибора 5^-10 %. Пленки, напыляемые в течение 10-К30 минут, исследовались на стилусном профилометре Alpha-Step 200 (погрешность прибора ± 2 %). Определена скорость напыления пленок Ti02+Si02, которая составила 0,1 нм/с. Средняя толщина hcp пленок, напыляемых в течение 240 мин., составила 1,5±0,5 мкм.

Для образцов Sn02+Zn0 (TZO) толщина пленки, напыляемой в течение 300 мин., составила 3,5±0,5 мкм. При времени напыления 10 и 20 мин. hcp оказалась порядка 400 нм и 1 мкм соответственно, а средняя скорость напыления составила 0,19 нм/с.

В образцах Zn0+Sn02 (ZTO), напыленных в течение 300 мин., hcp равна 3-К3,7 мкм, при этом скорость роста пленок составила 0,17 нм/с.

На пленках, напыляемых в течение 240 и 300 минут, на микроанализаторе JXA-840 были проведены исследования элементного состава (рис. 1). На рис. 1 (а) показано, что на образцах № 1 - 4, при напылении которых навески Si02 и ТЮ2 на мишени располагались относительно равномерно, концентрация атомов кремния и титана находится в пределах 19±3 ат. %. При уменьшении количества Si02 (образцы № 5 - 10) содержание титана возрастало до 28 ат. %. Количество атомов Ti изменялось в пределах от 17,8 ат. % до 28,3 ат. %, a Si от 20,2 ат. % до 8,8 ат. %.

Из табл. 1 и 2 видно, что в изготовленном наборе образцов пленок с разным содержанием олова и цинка состав изменялся от практически чистого Sn02 (менее 1 % ZnO) до практически чистого ZnO (менее 1 % Sn02) с переходом через соотношение Zn0+Sn02 50/50.

о|

Ш СО О. § со 3 2 =г ф 2 а> <п ¿Ё ГУ ф & со а> $ я ш

о Ч1 о. ю о / О. о / а. ю о / а. ю Обре \ а. ю о / о. «о о / а. « /

% ат.

щ

(1. сы

ГП Ф Ь и' н >> ми ЕНЗЕЖЕЕН

□ ТЮа ЩБЮг

Рис. 1. Распределение атомов элементов в образцах пленок ТЮг+БЮг

Таблица 1.

Распределение концентрации атомов 5п, гп и О (% ат.) в зависимости от номера образца и _положения на мишени (</, см) для пленок Т/О ___

Бп, % ат. 18,34 18,16 20,85 22,73 29,39 33,38 39,94 38,15 39,66 42,61 43,51

гп, % ат. 19,06 18,58 13,9 13,16 8,79 6,36 3,68 1,27 0,7 0,55 0,2

О, % ат. 62,6 63,26 65,25 64,11 61,82 60,26 56.38 60,58 59,64 56,84 56,29

№ обр. 1.1 1.2 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(1, см. 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25

Таблица 2.

Распределение концентрации атомов Ъх\, 5п и О (% ат.) в зависимости от номера образца и _положения на мишени (с/, см) для пленок ZTO ___

Ъп, % ат. 29,66 30,97 27.41 27,98 37,03 41,03 41,73 44,39 46,61 46,82 48.88

Эп, % ат. 14,26 16,65 14,97 13,79 14,03 10,11 6,89 3,97 1,78 0,97 0,96

0, % ат. 56,07 52,37 57,61 58,22 48,93 48,85 51,38 51,63 51,61 52,2 50,15

№ обр. /./ 1.2 2 3 4 5 6 7 8 9 10

(1, см. 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25

После определения состава пленок был проведен отжиг всех образцов в течение 20 часов при температуре 470^500 °С для стабилизации их параметров. Контроль параметров (двумя зондами на MY-64 и четырехзондовым методом на ЦИУС-4) во время отжига показал, что через 10-И5 часов сопротивление пленок Ti02+Si02 снижается с не промеряемых величин до 100^1 ООО Ом (в зависимости от количества Si) и стабилизируется. Стабилизация параметров пленок TZO происходит через 20 часов (2 кОм/см2 для пленок с большим количеством ZnO и до 4 МОм/см2 для пленок практически чистого Sn02). Сопротивление образцов ZTO в процессе отжига выросло до величин, не измеряемых прибором. Все пленки стали прозрачными и более светлыми.

Были проведены исследования морфологии поверхности и рентгеновский анализ объема пленок TZO и ZTO. Поверхность образцов исследовалась на атомно-силовом микроскопе FemtoScan-001 (погрешность измерения 2,5 %) и анализировалась с помощью пакета программ Image Analysis 2.1.2. Средняя шероховатость поверхности составила 12 нм для пленок TZO и 11,5 нм для пленок ZTO. Степень кристаллизации образцов контролировалась рентгеновским методом (XRD, рис.2).

Рис. 2. ХМ) анализ тонких пленок: (а) ТгО состава 18,16 ат. % 5п и 18,58 ат. % Zn после 20 часов отжига при 470 "С; пики (110), (101). (200) и (211) соответствуют кристаллам БпО;; (б) пленки Z^O состава 1,78 ат. % Бп и 46,61 ат. % гп после 20 часов отжига при 470 "С; пики (110), (101) и (310) соответствуют кристаллам БпО,

Образцы TZO состава 18,16 ат. % Бп и 18,58 ат. % Тп имели ярко выраженные пики кристаллов 8п02, также наблюдалось начало кристаллизации фаз Zn2Sn04 и ZnO. Пленки ZTO после 20 часов отжига при температуре 470 °С начали кристаллизоваться.

Оптические исследования пленок диэлектрика ТЮ2+8Ю2 и полупроводников ZTO и TZO проводились на спектрометре 8Ытас12и Вю-8рес-Мть Представленные на рис. 3 спектры пропускания были перестроены в спектры поглощения (а, а" и а "). По зависимости а\Ил\ эВ), в которой кривые спрямляются лучше всего, было определено, что все образцы являются прямозонными полупроводниками, и были рассчитаны величины ширины

запрещенной зоны образцов (3,4^-3,5 эВ для образцов ТгО; 2,5-К2,9 эВ для образцов гТО). Наибольшая прозрачность пленок составила 70-^80 % в интервале длин волн видимого света А. = 400 800 нм.

Из интерференционной части спектров пропускания Т была рассчитана диэлектрическая проницаемость пленок (табл. 3 для диэлектрической пленки ТЮ2+8Ю2).

700

(а)

700 (б)

100

80

60

- №3 40

№8

- №10 20

Х.НМ

0

1200

700 (В)

Рис. 3. Коэффициенты пропускания тонких пленок: (а) ТЮз+БЮ: для образцов с различной концентрацией титана и кремния (образцы №221,81 ат. % Т1, 14,71 ат. % 51, № 5-29,6 ат. % П, 13,04 ат. % 81, № 9 - 28,3 ат. % Л, 8,8 ат. % 51);

(б) TZO для образцов с различной концентрацией олова и цинка (образцы № 3 - 22,73 ат. % 5п,

13,16 ат. % гп, № 8 - 39,66 ат. % Эп, 0,7 ат. % Хп, № 10 - 43,51 ат. % Бп, 0,2 ат. % 7п);

(в) гТО для образцов с различной концентрацией цинка и олова (образцы № 1-16,5 ат. % 5п, 30,97 ат. % 1п, № 7 - 3,97 ат. % Бп, 44,39 ат. % гп, № 10 - 0.96 ат. % Бп, 48,88 ат. % гп).

Таблица 3.

Диэлектрическая проницаемость тонких пленок ТЮг+ЯЮг с процентным содержанием титана и кремния (образцы №2-21,81 ат. % П, 14,71 ат. % 51, № 5 - 29,6 ат. % П, 13,04 ат. % 51,

Образец Я/, мкм А}, мкм (/, мкм т £ и

№2 0,995 0,847 1,126 \ 6,394 2,53

№5 0,804 0,653 2,104 2 2,731 1,65

№9 0,91 0,734 0,963 2 15,531 3,94

Величина диэлектрической проницаемости пленки № 9 ТЮ2+8Ю2 близка к значениям, обычно используемым в образцах ТТРТ (е = 16 при удельной емкости подзатворного диэлектрика С£ = 0,7 мФ/м2). Следовательно, образец № 9 может быть использован в качестве подзатворного диэлектрика в разрабатываемом ТТРТ.

На рис. 4 представлены результаты исследований электрофизических параметров образцов TZO и ZTO. Исследование поверхностного сопротивления образцов проводилось четырехзондовым методом на установке ЦИУС-4 (погрешность ±4,5 %). Расчет концентрации основных носителей заряда и их подвижности проводился по методу Ван дер Пау из измерения эффекта Холла в магнитном поле напряженностью 0,63 Тл.

□ 5по2Д2по

1Е+19 1Е+16 1Е+13 1Е+10 1Е+07 1Е+04 1Е+01

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 111 г I [' \ 71615 ЩИ11}1131м {15 |щ|1? 11191201211г2123 [|251[271 □ гпо у ЗпОг

(б)

Рис. 4. Распределение поверхностного сопротивления , подвижности ц и концентрации по в зависимости от положения относительно навесок мишени. В верхней части рисунка проставлены номера образцов, в нижней части - расстояния вдоль подложки (см), внизу — схема размещения навесок ZnO и БпСЬ вдоль мишени: Т70 (а), гТО (б)

В области канала разрабатываемого транзистора предполагается использование пленки состава 38 - 40 ат. % Бп и 0,5^1,5 ат. % 7м толщиной 200 нм из набора TZO с изменением концентрации олова от 18,3 до 43,5 ат. %.

Параметры пленки для активной области: сопротивление Я порядка 3 МОм, концентрация п0 до 1016 см"3 и подвижность /и более 50 см2/Вхс.

В интервале концентраций Zn от 46,5 до 47 ат. % (Н2 ат. % Бп) концентрация свободных носителей заряда в ZTO изменяется в интервале (1-КЗ)х1018 см'3, а подвижность носителей в пределах 40^-50 см2/Вхс, что соответствует удельным сопротивлениям 0,2-Н Омхсм. Пленки с такими параметрами подходят для изготовления проводящих областей истока, стока и затвора.

В четвертой главе представлен анализ моделей выходных характеристик ТТРТ в сравнении с измеренными на лабораторном стенде ЬеБо-З характеристиками реального ТТРТ, изготовленного в Брауншвейгском университете, г. Вупперталь, Германия (рис. 5). Результатом моделирования стал набор программ для ПК, позволяющий по заданным геометрическим и физическим параметрам транзистора построить выходные характеристики ТТРТ с учетом факторов, влияющих на его работу.

Рис. 5. Схематическое изображение исследуемого ТТРТ с указанием используемых материалов тонких пленок и геометрических размеров областей прибора

Сначала осуществлялись моделирование и расчет ВАХ транзистора с помощью идеальной квадратичной модели, в которой не учитываются эффекты, связанные с размерами и физическими особенностями пленок. В результате оказалось, что в области насыщения (рис. 6, а) экспериментально измеренные величины тока стока (сплошные кривые) значительно превышали значения, рассчитанные с помощью этой модели (пунктирные кривые) При напряжении на затворе 10 В расчетная величина тока стока //> составила 0,24 мА, а измеренное значение было равно 0,33 мА.

Далее были исследованы причины возникновения этих расхождений. При расчете характеристик с помощью идеальной модели (рис. 6, а) не учитывается тот факт, что в реальном ТТРТ присутствуют дополнительные эффекты, влияющие на работу транзистора. На основе проведенного анализа были выбраны наиболее значимые из них: наличие дополнительных сопротивлений на поверхности и в объеме канала, а также учет емкости канала при моделировании выходных характеристик транзистора.

Моделирование характеристик ТТРТ с учетом наличия дополнительных сопротивлений в объеме {Явит ~ 34,5 кОм) и на поверхности канала (Кхиш-ж'Е ~ 1 МОм) показало, что расчетные кривые несколько приближаются

к измеренным (при напряжении на затворе 10 В расчетная величина тока стока 1В составила 0,28 мА).

При использовании модели, учитывающей наличие удельной емкости канала (С5 = 3x10~3 Ф/м2 при диэлектрической проницаемости е5 канала 10), приближение расчетных кривых к измеренным происходило слабее, чем с учетом добавочных сопротивлений в канале (при напряжении на затворе 10 В расчетная величина тока стока 1В составила 0,27 мА).

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

0,35 0,3 0,25 0,2 0.15 0,1 0,05 0

мА ..... 1 —■

......................

..................... ...1........ Г-"" -

—...........1

—- 2.1Г« ___

Vgs=lB П;, ехр 1В

■ У&=ЗВ

■ Vgs_exp=ЗB

6 8 10

• ......■...... 10В

• ехр=5В -■- ¡ ^ ехр'10В

(а)

1в, мА ..............

........... ......... !

—' —-4........................ ..............! ................1............ .

г ------------

-.¿Й**-1 1 1

0 1

...... Vgs=lB

— Vgs_ехр=1В

3 4

-

— Уgs ехр=ЗВ

6 7

■

• ехр =5В

9 10

■ Уgs ехр=10В

(б)

Рис. 6. Выходные характеристики ТТРТ, рассчитанные по идеальной (а) и комплексной (б) моделям (пунктирные линии) и измеренные (сплошные линии) на образцах с известными параметрами (ес!= 18, ез = 10, (¡ = 2х10"7 м, £ = 2Х104 м, А = 3х10"8 м, п0= 1 х 1022 м"3, р = 1.2x10"3 м2/Вхс, К$1.црлсе = 1х106 Ом) для значений напряжения на затворе = 1, 3, 5 и 10 1

Поскольку металлооксидный материал канала предполагает наличие емкостных характеристик и присутствие дополнительных сопротивлений в канале, была предложена комплексная модель, объединившая в себе оба этих эффекта и описывающая поведение исследуемого прибора (рис. 6, б) с уче-

том сопротивлений канала Явш.к и Кхтгла:, а также емкости канала Сх. На рисунке показаны зависимости тока стока //, от напряжения сток-исток Уох при значениях напряжения затвор-исток К^ =1,3,5 и 10 В.

Сплошными линиями обозначены экспериментальные кривые, пунктиром - построенные с использованием комплексной модели, учитывающей наличие в канале дополнительных сопротивлений и емкости. Из рисунка видно, что расчетные характеристики практически полностью совпадают с измеренными (при напряжении на затворе 10 В расчетная величина тока стока ¡¡у составила 0,325 мА, тогда как измеренная 1В ехр = 0,33 мА).

Для оптимизации расчетов было разработано оконное приложение, в котором по геометрическим и физическим параметрам областей моделируемого транзистора автоматически рассчитываются его выходные характеристики и строятся графики. Приложение позволяет подключать файл с измеренными характеристиками и наглядно сравнивать их с построенными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Ионно-лучевым методом изготовлен набор образцов тонких пленок ТЮг+БЮг, соотношение атомов Т1 и Б! в котором менялось от 17,7 ат. % титана и 20,2 ат. % кремния до 28,3 ат. % титана и 8,8 ат. % кремния.

На основании экспериментальных исследований наборов образцов тонких пленок ТЮ2+8Ю2 определен состав оксидов с соотношением 27,22 ат. % Т1 и 8,94 ат. % 81, пригодный для использования в качестве подзатворного диэлектрика толщиной 200 нм в ТТРТ. Основные параметры образца: диэлектрическая проницаемость е= 16 н- 18, коэффициент пропускания пленки Г более 60 % в видимом диапазоне излечения.

2. Ионно-лучевым методом изготовлен набор образцов тонких пленок Т20, соотношение атомов Ъп и 8п в котором менялось от 18,3 ат. % олова и 19,1 ат. % цинка до 43,5 ат. % олова и 0,2 ат. % цинка.

Определен состав пленки канала из Sn02+Zn0: 38 - 40 ат. % 8п и 0,5 - 1,5 ат. % 2п. Пленка отжигалась на воздухе при температуре более 470 °С. Электрофизические параметры пленки: = 3,4-К3,5 эВ, концентрация основных носителей заряда в канале п0 - Ю14 ^ 1016 см"3, подвижность носителей заряда в канале 40^-50 см7В*с, сопротивление пленки Я = 3 кОм. Пленка прозрачна в видимом диапазоне электромагнитного спектра излучения (Гболее 70 %) и имеет поликристаллическую структуру.

3. Ионно-лучевым методом изготовлен набор образцов тонких пленок ZTO, соотношение атомов Ъл и 8п в котором менялось от 29,7 ат. % цинка и 14,3 ат. % олова до 48,9 ат. % цинка и 1 ат. % олова.

Определен состав тонкой пленки 7п0+8п02 для проводящих областей ТТРТ (истока, стока и затвора). Пленка не отжигается и содержит 1 - 2 ат. % 8п и 46,5 - 47 ат. % Ъп, толщина пленки 200 мкм. Основные параметры образца: сопротивление пленки Я = 0,2-5-1 Ом/см*, коэффициент пропускания Т не менее 70 %, Eg = 2,9 эВ, концентрация основных носителей заряда п более 1018 см"3. Структура пленки - аморфная.

4. Разработаны программы для расчета выходных характеристик TTFT по идеальной квадратичной модели и моделям, учитывающим эффекты в транзисторе, влияющие на поведение реальных вольт-амперных характеристик прибора. При объединении моделей, учитывающих наличие добавочных сопротивлений и емкости в канале TTFT, рассчитанные характеристики практически совпадают с измеренными с точностью более 99 %.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Синтез многокомпонентных металлооксидных пленок различного состава (Sn02)x(Zn0)1.x (Х=1-0.5) [Текст] / С. И. Рембеза, Н. Н. Кошелева, Е. С. Рембеза, Т. В. Свистова, Е. Ю. Плотникова // Физика и техника полупроводников. - 2014. - Т. 48. -№8.-С. 1147-1151.

2. Многокомпонентные наноструктурированные пленки (Sn02)x(Zn0)i_x (Х=0,5...1) для газовой сенсорики и прозрачной электроники [Текст] / С. И. Рембеза, Н. Н. Кошелева, Е. С. Рембеза, Т. В. Свистова, Е. Ю. Плотникова, Б. JI. Агапов, М. В. Гречкина // Нано- и микросистемная техника. - 2014. - № 8. - С. 32-36.

3. Моделирование вольт-амперных характеристик тонкопленочного металло-оксидного транзистора с учетом сопротивления и емкости канала [Текст] / Е. Ю. Плотникова, А. В. Арсентьев, А. А. Винокуров, С. И. Рембеза // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2014. - Т. 10. - № 2. - С. 71-74.

4. Эволюция технологии и материалов тонкопленочных полевых транзисторов [Текст] / Е. Ю. Плотникова, А. В. Арсентьев, А. А. Винокуров, С. И. Рембеза // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ". - 2014. - Т. 7. - С. 84-93.

Патент на полезную модель

5. Пат. RU141869 U1 Российская Федерация, МПК G01N 27/12 (2006.01). Газочувствительный датчик [Текст] / Рембеза С. И. (RU), Рембеза Е. С. (RU), Буслов В. A. (RU), Свистова Т. В. (RU), Кошелева Н. Н. (RU), Плотникова Е. Ю. (RU) / ВГТУ (RU); заявл. 2013146721/28, 18.10.2013; опубл. 20.06.2014. Бюл.,№ 17.

Статьи и материалы конференции

6. Тонкопленочные металлооксидпые транзисторы для прозрачной электроники и газовой сенсорики [Текст] / С. И. Рембеза, Е. С. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, Воронов П. Е., Онопко М. В., Михайлов С. Н. // Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии: материалы XI междунар. науч. конф. Ставрополь, 2012. - С. 155-157.

7. Плотникова, Е. Ю. Изготовление прозрачных тонкопленочных транзисторов как управляющих элементов в прозрачных дисплеях [Текст] / Е. Ю. Плотникова // Инновационные технологии на базе фундаментальных научных разработок -прорыв в будущее: сб. докл. регион, науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Воронеж, 2012. - С. 130-132.

8. Рембеза, С. И. Разработка технологии изготовления прозрачных тонкопленочных транзисторов в качестве управляющих элементов в приборах отображения информации [Текст] / С. И. Рембеза, Е. Ю. Плотникова // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: материалы всерос. науч.-практ. конф. с международным участием. Воронеж, 2013.-С. 143-145.

9. Рембеза, С. И. Металлооксидные тонкопленочные транзисторы для прозрачной и гибридной электроники [Текст] / С. И. Рембеза, Е. С. Рембеза, Е. Ю. Плот-

никова // Микро- и нанотехнологии в электронике: материалы V междунар. науч.-техн. конф. — Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2012. - С. 158-160.

10. Рембеза, С. И. Моделирование параметров тонкопленочного полевого ме-таллооксидного транзистора [Текст] / С. И. Рембеза, Е. ГО. Плотникова // Микро- и нанотехнологии в электронике: материалы V междунар. науч.-техн. конф. — Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2012. - С. 161-164.

11. Физические свойства пленок Sn02 - ZnO, изготовленных методом ионно-лучевого распыления [Текст] / Е. Ю. Плотникова, С. И. Рембеза, Т. В. Свистова, H. Н. Кошелева, G. Tuncolu, С. Aciksari // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 2013. - Вып. 12. - С. 144-148.

12. Электрофизические свойства пленок-композитов Sn02 + ZnO [Текст] / Е. С. Рембеза, H. Н. Кошелева, Е. Ю. Плотникова, А. А. Носов, Е. Е. Лавлинская, G. Tuncolu, С. Aciksari // Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж, 2013.— Вып. 12.-С. 179-181.

13. Изготовление и структура пленок многокомпонентных металлооксидов (Sn02)x:(Zn0)l-x (х = 0-1) [Текст] / С. И. Рембеза, Е. С. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, Т. В. Свистова, Е. Suvaci, Е. Ozel, G. Tunocolu, С. Açiksari // Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии. НАНСИС-2013: тезисы IV междунар. науч. конф. -Киев, 2013.-С. 169.

14. Электрофизические свойства прозрачных пленок металлооксидных полупроводников (Sn02)x:(Zn0),.x (х = 0-1) [Текст] / С. И. Рембеза, Е. С. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, H. Н. Кошелева, Е. Suvaci, Е. Ôzel, G. Tunocolu, С. Açiksari // Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии. НАНСИС-2013: тезисы IV междунар. науч. конф. - Киев, 2013. - С. 306.

15. Плотникова, Е. Ю. Использование оксидов Ti02-Si02 в качестве материала подзатворного диэлектрика в тонкопленочных металлооксидных полевых транзисторах [Текст] / Е. Ю. Плотникова, H. Н. Кошелева, М. Ю. Сапрыкин // ФТТ-2013. Актуальные проблемы физики твердого тела: сб. докл. междунар. науч. конф. -Минск, 2013. - Т. 2. - С. 183 - 184.

16. Полупроводниковые нанокомпозиты (Sn02)x(Zn0)i.x (х = 0 - 1) для газовой сенсорики и прозрачной электроники [Текст] / С. И. Рембеза, Е. С. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, H. Н. Кошелева // ФТТ-2013. Актуальные проблемы физики твердого тела: сб. докл. междунар. науч. конф. - Минск, 2013. - Т. 3. - С. 244 - 246.

17. Рембеза, С. И. Моделирование характеристик тонкопленочных металлооксидных транзисторов [Текст] / С. И. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, M. Ю. Сапрыкин // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: материалы междунар. науч.-метод. семинара. - М., 2013. - С. 148-152.

18. Плотникова, Е. Ю. Влияние сопротивления и емкости канала на поведение модели тонкопленочного металлооксидного транзистора [Текст] / Е. Ю. Плотникова, А. В. Арсентьев, А. А. Винокуров // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: материалы междунар. науч.-метод. семинара. - М., 2014. С. 72-77.

19. Моделирование тонкопленочного полевого транзистора с нижним затвором в САПР TCAD [Текст] / С. И. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, А. В. Арсентьев, А. А. Винокуров // Микро- и нанотехнологии в электронике: материалы VI междунар. науч.-техн. конф. — Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2014. - С. 328—333.

20. Синтез и свойства металлооксидных прозрачных пленок (Sn02)x(Zn0)i_x (х = 0.5... 1) для прозрачной электроники [Текст] / С. И. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, Н.

Н. Кошелева, Е. С. Рембеза // Микро- и нанотехнологии в электронике: материалы VI междунар. науч.-техн. конф. — Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2014. - С. 154-158.

21. Effects of Hydrothermally Synthesized Powder Properties on Electrical and Optical Properties of Magnetron Sputtered (Sn02)x(Zn0),.x (x=0.0-0.5) Thin Films /1. G. Tun-colu, C. Aciksari, E. Suvaci, E. Ozel, S. I. Rembeza, E. S. Rembeza, E. Yu. Plotnikova, N. N. Kosheleva // 13th International Ceramics Congress. Section CJ-4 Semiconducting ceramics. -Italy, 2014.

22. Автономный мобильный измеритель газа на основе перспективного полупроводникового датчика газов [Текст] / А. В. Арсентьев, С. И. Рембеза, Е. Ю. Плотникова, Н. Н. Кошелева, Т. В. Свистова, С. А. Белоусов, А. А. Носов // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». -2014.-Т. 1.-С. 52.

23. Синтез и свойства пленок Sn02+Zn0 для газовой сенсорики и прозрачной электроники [Текст] / С. И. Рембеза, Н. Н. Кошелева, Е. Ю. Плотникова, А. А. Носов, С. А. Белоусов // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». - 2014. - Т. 4. - С. 28.

24. Разработка прозрачного полевого транзистора на основе экологически безопасных металлооксидов [Текст] / Е. Ю. Плотникова, С. И. Рембеза, Т. В. Свистова, Н. Н. Кошелева, А. А. Арсентьев, С. А. Белоусов, А. А. Носов // Комплексные проблемы техносферной безопасности: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». -2014. - Т. 3,-С. 47.

Подписано в печать « 8 » апреля 2015. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Зак. № 64

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14