Film sottili di silicio depositati per PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition)

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Gemma Vecchio
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1 Film sottili di silicio depositati per PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) DISORDINE STRUTTURALE E COMPOSIZIONALE Struttura: generalmente AMORFA (ma compatta) in condizioni particolari MICROCRISTALLINA ordine a corto raggio (primi e secondi vicini) disordine a lungo raggio, dovuto a fluttuazioni delle distanze e degli angoli di legame presenza di difetti sotto forma di legami non saturi che formano trappole e centri di ricombinazione per i portatori di carica la flessibilità della struttura amorfa permette di formare leghe a stechiometria variabile in modo continuo con C, O, N, Ge, Sn. Conseguenze: alla variabilità composizionale corrisponde la variabilità delle caratteristiche ottiche ed elettriche, che, nonostante i difetti elettricamente attivi, permette di preparare leghe su misura per applicazioni diverse.

3 Schema Impianto di deposizione per PECVD Gases T controller Ground anode Vacuum gauge Substrate cathode Ground Pumping system MFC RF power supply Matching Network Gas ballast

5 Densità degli stati e assorbimento banda di conduzione [CB] 10 4 C Energia E C E A E f E g stati di coda'' (a) (b) (c) (d) stati di difetto stati localizzati [cm -¹] B E V E B stati di coda 10 0 A banda di valenza [VB] Densità degli stati B G E [ev]

6 Diagramma a bande e architettura di una cella solare p-i-n in silicio amorfo idrogenato. p:a-sic:h(b) Graded Layer e i:a-si:h n:mc-si:h(p) Ef TCO h Ag/Al ZnO(Al)

7 Elettronica su Larga Area Schermi a cristallo liquido a matrice attiva (AMLCD) Transistore a Film Sottile (TFT) amorfo a canale n come dispositivo interruttore

8 Limiti della tecnologia TFT amorfo per AMLCD Estimated circuit speed (Hz) Column driver L = 6µm Row driver Field effect mobility (cm²/vs) da S.D. Brotherthon Semicond. Sci. Technology, 10 (1995) SOLUZIONE: silicio policristallino fabbricato su vetro

9 Il silicio policristallino per l elettronica Cristallizzazione Indotta da Laser LIC Utilizza la combinazione di due caratteristiche del silicio amorfo: forte assorbimento UV (α>10 6 cm -1 ) piccola lunghezza di diffusione del calore durante l impulso laser (~100 nm) Fusione del film senza apprezzabile riscaldamento (<400 C)del substrato Vantaggi del processo LIC: Compatibilità con il vetro Processabilità di pannelli di vetro di grande area Buona cristallinità del silicio Assorbimento (cm -¹) Nd - YAG Energia fotone laser [ev] a - Ge Energia [ev] Ar a - Si a - SiC Eccimero XeCl Diamante policristallino

10 Cristallizzazione via laser del silicio amorfo Tsub=300 K - film thickness=80 nm - EL1=400 mj/cm2- EL2=360 mj/cm2 mask singolo colpo pluri colpo

11 Il dispositivo fondamentale per l elettronica l su larga area il Transistore a Film Sottile TFT Il principio di funzionamento di un TFT è lo stesso di un MOSFET Il funzionamento è limitato alle regioni di accumulo e cut-off

12 L introduzione della cristallizzazione indotta da laser ad eccimero ha notevolmente migliorato le prestazioni dei dispositivi, anche a canale p, permettendo di ipotizzare la fabbricazione integrata su vetro di circuiti CMOS di pilotaggio insieme agli interruttori della matrice attiva I Transistori a Film Sottile sono dunque gli elementi fondamentali per l Elettronica su Larga Area: Schermi a Cristalli Liquidi a matrice attiva (AMLCD) (integrazione dei circuiti di pilotaggio sul pannello di vetro) Schermi a Diodo Organico Emettitore di Luce a matrice attiva (OLED) Inoltre è possibile progettare microsistemi elettronici con funzionalità anche più complesse realizzati su substrati di vetro: System-on on-glass

13 Gli strumenti della tecnologia Schema del processo di cristallizzazione

14 Classificazione per tipo di tecnologia dei dispositivi a semiconduttori in film sottile. Esistono altri organici attivi : polimeri elettro-attivi, elastomeri a memoria di forma, polimeri piezoelettrici. inorganici su vetro = prestazioni sofisticate: circuiti per LCD e OLED, Matrici di sensori di grande area, Drivers integrati. inorganici su polimero = prestazioni intermedie: circuiti per LCD e OLED flessibili.. organici = prestazioni minime: OLED Electronic barcode.

Prodotti esemplificativi per i vari tipi di

15 Prodotti esemplificativi per i vari tipi di tecnologia. Esistono altri organici attivi : polimeri elettro-attivi, elastomeri a memoria di forma, polimeri piezoelettrici. inorganici su vetro = prestazioni sofisticate: circuiti per LCD e OLED, Matrici di sensori di grande area, Drivers integrati. inorganici su polimero = prestazioni intermedie: circuiti per LCD e OLED flessibili.. organici = prestazioni minime: OLED Electronic barcode.

16 Caratteristiche Elettriche dei TFT fabbricati con la Cristallizzazione Indotta da Laser La mobilità da effetto di campo aumenta all aumentare dei grani Migliori prestazioni ottenute in regime SLG canale -n µ>300 cm 2 /Vs canale-p µ>150 cm 2 /Vs Tuttavia a causa delle disomogeneità del materiale SLG, ci sono grosse fluttuazioni tra dispositivi sullo stesso substrato

17 Caratteristiche elettriche dei TFT in polisilicio a campi elevati Nonostante il miglioramento delle caratteristiche elettriche, legato alla bassa densità di difetti nel polisilicio cristallizzato via laser, alcuni problemi sono ancora presenti: elevate correnti di interdizione (correnti di perdita nei TFT) anomalo aumento della corrente nelle caratteristiche di uscita (kink-effect) instabilità elettrica indotta da portatori caldi Questi effetti sono collegati alla presenza di elevati campi elettrici alla giunzione di drain quando il dispositivo funziona ad elevate polarizzazioni di drain

18 Correnti di perdita All aumentare di V ds vi è un sostanziale aumento della corrente dello stato OFF Elevate correnti nello stato di spegnimento sono dannose nelle applicazioni come interruttore negli AMLCD Per bassi valori di V ds predomina la generazione termica nella regione di svuotamento al drain Ad elevati valori di V ds l aumento della corrente di perdita è collegato a meccanismi di generazione sostenuti dal campo elettrico

19 Effetto Kink I ds (A) Vg=5 (V) Vg=7 (V) Vg=9 (V) V ds (V) Ad elevate V ds la corrente di collettore aumenta come nei dispositivi SOI (kink effect) Il conseguente aumento della conduttanza degrada le prestazione sia dei circuiti analogici (mancanza di linearità) che digitali (mancato cut-off)

20 Effetto Kink L effetto kink è un aumento della corrente di saturazione dovuto alla generazione di coppie elettrone-lacuna indotta dagli elevati campi elettrici vicino alla giunzione di drain

21 nuovi schermi emissivi a diodi organici Active Matrix Organic Light Emitting Display (AMOLED) -5v Light OLED Cathode (Metal) Electron Transport layer (Alq 3 ) Hole Transport layer Anode (ITO) Glass substrate Cathode Metal Schermo ad OLED OLED TFT Array ITO Glass

22 Perché i LED organici Luminosi cd/m2 Efficienti 30 lm/w Area emissiva scalabile dimensioni da alcuni µm ad alcuni centimetri Colorati- R,G,B Bassa tensione da 3 a 10 V Materiali a basso costo Substrati a basso costo Ampio angolo di vista - > 160 Durata ore

24 electron-transport layer LUMO e LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital effect of doping on the emission spectrum h HOMO hole-transport layer

25 Examples of dye compounds used as color emitters in OLEDs

26 Layout e schema elettrico del pixel Enable Dato V SS ntft ptft Vc Vcc C OLED Il circuito utilizzato è il più semplice possibile per pilotare una matrice attiva essendo costituito da due soli TFT. Altre configurazioni possono essere utilizzate ma a scapito di una maggiore complessità (quattro o più TFT).

27 Considerazioni sui substrati flessibili Tmax processo Materiale Caratteristiche ottime,buone,cattive 500 C + Acciaio Opaco, moderata resistenza chimica, Cattiva finitura della superficie 275 C Polimide (Kapton) Colore arancione, buona resistenza chimica, costoso 250 C Polietereterchetone Colore ambra, buona resistenza chimica, costoso (PEEK) 200 C Polieterimmide(PEI) Resistente, fragile,rugoso/colorato,costoso 174 C Polietersulfone (PES) Trasparente, buona stabilità dimensionale, scarsa resistenza ai solventi, costoso 150 C Polietilenaftalate (PEN) Trasparente, buona resistenza chimica, economico 120 C Polietilentereftalato Trasparente, buona resistenza chimica, economico (PET)

nm SiOx / 100 nm a-si irraggiamento laser 140 mj/cm2 deidrogenazzione con fluenze

28 Irraggiamento di film di a-si su plastica Substrato Polietilentereftalato (PET) Tmax 150 C Polietersulfone (PES) Tmax 200 C deposizione SiOx / a-si PECVD T= C 700 nm SiOx / 100 nm a-si irraggiamento laser 140 mj/cm2 deidrogenazzione con fluenze crescenti mj/cm2 prima cristallizzazione mj/cm2 cristallizzazione totale pes pet

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