Etude des transistors en couches minces à base d’IGZO pour leur application aux écrans plats à matrice active LCD et OLED

par Thi Thu Thuy Nguyen

Thèse de doctorat en Nanoélectronique et nanotechnologie

Sous la direction de François Templier.

Le président du jury était Roland Madar.

Le jury était composé de François Templier, Hugues Lebrun, Rose-Marie Sauvage.

Les rapporteurs étaient Pere Roca i Cabarrocas, Tayeb Mohammed-Brahim.


  • Résumé

    Ce travail de thèse a pour sujet l'étude de transistors en couches minces (TFTs) à base d'Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO). Nous nous sommes intéressés au procédé de réalisation des TFTs, et à la caractérisation des couches d'IGZO afin d'obtenir les caractéristiques au plus près de l'état de l'art. Nous avons également étudié le processus de passivation, paramètre identifié comme critique pour stabiliser les TFT et atteindre de bonnes performances.Dans un premier temps, nous avons mis au point les conditions du dépôt de la couche active, et de la réalisation des TFTs. Les analyses morphologiques et structurales ont montré l'absence de cristallites de couche, ainsi qu'une surface peu rugueuse. La densité des porteurs de charge de la couche IGZO diminue lorsque le débit d'oxygène, variable durant son dépôt, augmente. La couche active déposée à 200°C et à 4 sccm d'oxygène présente une densité de porteurs de charge de l'ordre de 1E17 cm-3, valeur adaptée au fonctionnement des TFTs.Dans un second temps, nous avons évalué l'influence d'un recuit sur les caractéristiques des TFTs. Nous avons mis en évidence que le recuit sous oxygène conduit à des TFTs opérationnels, tandis que celui sous azote ou en absence de recuit induisent une suppression de l'effet de champ. Nos études ont également montré qu'une température de recuit de 300°C est favorable aux performances des transistors. Les premiers TFTs présentent des mobilités entre 5 et 15 cm2/Vs, des rapports ION/IOFF de l'ordre de 1E7, et des pentes sous le seuil d'environ 0.3 V/décade. Les tensions de seuil (VT), quant à elles, demeurent faibles donc restent à améliorer.Pour finir, nous avons étudié l'impact d'une couche de passivation sur les TFTs, en raison de la dégradation des caractéristiques de ces derniers dans l'atmosphère ambiante. Les couches de SiO2 (déposée par PECVD) et d'Al2O3 (déposée par ALD) ont été étudiées. Nous avons mis en évidence que ces passivations peuvent dégrader les TFTs au lieu de les protéger. VT tend à se décaler dans le sens négatif lorsque l'on augmente l'épaisseur de la couche d'Al2O3 ou le débit de Silane durant le dépôt du SiO2. Une des raisons principales de ce phénomène est la présence de l'hydrogène généré lors de la passivation. Nous avons évalué les solutions pour éviter la dégradation lors du dépôt et assurer une bonne protection du TFT.

  • Titre traduit

    Study of thin film transistors based on Indium Gallium Zinc Oxide for their applications in active matrix flat panel LCD and OLED display


  • Résumé

    This thesis aims to study thin-film transistors (TFTs) based on Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO) in the framework of applications in active matrix flat panel LCD and OLED display. The TFT fabrication process and the characterization of IGZO deposited film are two key studies in this thesis in order to obtain TFT electrical characteristics close to the state-of-the-art. We have also studied the passivation which is identified as crucial for stabilizing the TFT and achieving good performance.The deposition of the active layer and the fabrication process of TFT are firstly studied. Smooth surface of deposited films is demonstrated by AFM and the absence of the crystalline peak of the material is shown by X-ray diffraction. The density of charge carriers decreases with the increase of oxygen flow rate. The active layer deposited at 200°C and at 4 sccm of oxygen flow has a carrier density in the order of 1E17 cm-3 which is suitable for TFT operation. This condition is chosen to fabricate IGZO-based TFT in this thesis.In a second step, we have evaluated the influence of annealing condition on TFTs' electrical characteristics. Annealing in oxygen leads to operational TFTs while doing the same under nitrogen or the absence of annealing suppresses field-effect behavior. Our studies have also shown that annealing temperature of 300°C is suitable to obtain good performance of the transistors. From this study, we have obtained TFTs with high mobility (between 5 and 15 cm2/Vs), high ION/IOFF ratios (about 1E7), and reasonable sub threshold slope (about 0.3 V/decade). The threshold voltage (VT) however remains low (between -4 and -2 V) and needs to be improved.Finally, we have investigated the impact of a passivation layer on the performance of IGZO TFTs. SiO2 film (deposited by PECVD) and Al2O3 film (formed by ALD) were studied. We have observed that such passivation can degrade the TFTs rather than protecting them. Concretely, VT shifts in negative direction when increasing the Al2O3 layer thickness or the silane flow during SiO2 deposition. Principal reason for this shift is the presence of hydrogen which is generated during passivation. We have evaluated some solutions to reduce the degradation during deposition and ensure a good protection of the TFTs.


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