Top gated metal-oxide thin-film transistors (TFTs) provide two benefits compared to their conventional bottom-gate counterparts: (i) The gate dielectric may concomitantly serve as encapsulation layer for the TFT channel. (ii) Damage of the dielectric due to high-energetic particles during channel deposition can be avoided. In our work, the top-gate dielectric is prepared by ozone based atomic layer deposition at low temperatures. For ultra-low gas permeation rates, we introduce nano-laminates of Al2O3/ZrO2 as dielectrics. The resulting TFTs show a superior environmental stability even at elevated temperatures. Their outstanding stability vs. bias stress is benchmarked against bottom-gate devices with encapsulation.
References
1.
K.
Nomura
, H.
Ohta
, A.
Takagi
, T.
Kamiya
, M.
Hirano
, and H.
Hosono
, Nature
432
(7016
), 488
(2004
);
[PubMed]
H. Q.
Chiang
, J. F.
Wager
, R. L.
Hoffman
, J.
Jeong
, and D. A.
Keszler
, Appl. Phys. Lett.
86
(1
), 013503
(2005
);E. M. C.
Fortunato
, P. M. C.
Barquinha
, A.
Pimentel
, A. M. F.
Goncalves
, A. J. S.
Marques
, L. M. N.
Pereira
, and R. F. P.
Martins
, Adv. Mater.
17
(5
), 590
(2005
);R. L.
Hoffman
, B. J.
Norris
, and J. F.
Wager
, Appl. Phys. Lett.
82
(5
), 733
(2003
).2.
D.
Kang
, H.
Lim
, C.
Kim
, I.
Song
, J.
Park
, Y.
Park
, and J.
Chung
, Appl. Phys. Lett.
90
(19
), 192101
(2007
).3.
J. S.
Park
, J. K.
Jeong
, H. J.
Chung
, Y. G.
Mo
, and H. D.
Kim
, Appl. Phys. Lett.
92
(7
), 072104
(2008
).4.
E.
Chong
, Y. S.
Chun
, S. H.
Kim
, and S. Y.
Lee
, J. Electr. Eng. Technol.
6
(4
), 539
(2011
);P. T.
Liu
, Y. T.
Chou
, and L. F.
Teng
, Appl. Phys. Lett.
95
(23
), 233504
(2009
).5.
J. K.
Jeong
, H. W.
Yang
, J. H.
Jeong
, Y. G.
Mo
, and H. D.
Kim
, Appl. Phys. Lett.
93
(12
), 123508
(2008
).6.
K. H.
Lee
, J. S.
Jung
, K. S.
Son
, J. S.
Park
, T. S.
Kim
, R.
Choi
, J. K.
Jeong
, J. Y.
Kwon
, B.
Koo
, and S.
Lee
, Appl. Phys. Lett.
95
(23
), 232106
(2009
).7.
P.
Görrn
, T.
Riedl
, and W.
Kowalsky
, J. Phys. Chem. C
113
(25
), 11126
(2009
).8.
E. S.
Sundholm
, R. E.
Presley
, K.
Hoshino
, C. C.
Knutson
, R. L.
Hoffman
, D. A.
Mourey
, D. A.
Keszler
, and J. F.
Wager
, IEEE Electron Device Lett.
33
(6
), 836
(2012
);M.
Fakhri
, P.
Görrn
, T.
Weimann
, P.
Hinze
, and T.
Riedl
, Appl. Phys. Lett.
99
(12
), 123503
(2011
).9.
M.
Mativenga
, D. H.
Kang
, U. G.
Lee
, and J.
Jang
, Solid State Commun.
152
(18
), 1739
(2012
).10.
F.
Zhou
, H. P.
Lin
, L.
Zhang
, J.
Li
, X. W.
Zhang
, D. B.
Yu
, X. Y.
Jiang
, and Z. L.
Zhang
, Curr. Appl. Phys.
12
(1
), 228
(2012
).11.
J.
Park
, S.
Kim
, C.
Kim
, S.
Kim
, I.
Song
, H.
Yin
, K. K.
Kim
, S.
Lee
, K.
Hong
, J.
Lee
, J.
Jung
, E.
Lee
, K. W.
Kwon
, and Y.
Park
, Appl. Phys. Lett.
93
(5
), 053505
(2008
).12.
J.
Fahlteich
, M.
Fahland
, W.
Schonberger
, and N.
Schiller
, Thin Solid Films
517
(10
), 3075
(2009
).13.
J.
Meyer
, P.
Görrn
, F.
Bertram
, S.
Hamwi
, T.
Winkler
, H. H.
Johannes
, T.
Weimann
, P.
Hinze
, T.
Riedl
, and W.
Kowalsky
, Adv. Mater.
21
(18
), 1845
(2009
).14.
J. M.
Lee
, I. T.
Cho
, J. H.
Lee
, W. S.
Cheong
, C. S.
Hwang
, and H. I.
Kwon
, Appl. Phys. Lett.
94
(22
), 222112
(2009
).15.
C. H.
Park
, S.
Im
, J.
Yun
, G. H.
Lee
, B. H.
Lee
, and M. M.
Sung
, Appl. Phys. Lett.
95
(22
), 223506
(2009
).16.
W. S.
Cheong
, S. M.
Chung
, J. H.
Shin
, and C. S.
Hwang
, J. Cryst. Growth
326
(1
), 186
(2011
).17.
W. S.
Cheong
, J. H.
Shin
, S. M.
Chung
, C. S.
Hwang
, J. M.
Lee
, and J. H.
Lee
, J. Nanosci. Nanotechnol.
12
(4
), 3421
(2012
).18.
P.
Görrn
, P.
Hölzer
, T.
Riedl
, W.
Kowalsky
, J.
Wang
, T.
Weimann
, P.
Hinze
, and S.
Kipp
, Appl. Phys. Lett.
90
(6
), 063502
(2007
).19.
J. H.
Choi
, Y. M.
Kim
, Y. W.
Park
, J. W.
Huh
, B. K.
Ju
, I. S.
Kim
, and H. N.
Hwang
, Rev. Sci. Instrum.
78
(6
), 064701
(2007
).20.
M.
Fakhri
, N.
Babin
, A.
Behrendt
, T.
Jakob
, P.
Görrn
, and T.
Riedl
, Adv. Mater.
25
(20
), 2821
(2013
).21.
A. A.
Dameron
, S. D.
Davidson
, B. B.
Burton
, P. F.
Carcia
, R. S.
McLean
, and S. M.
George
, J. Phys. Chem. C
112
(12
), 4573
(2008
).22.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4885362 for a detailed investigation of a ZrO2 layer prepared with TDMA-Zr/ozone; the leakage current density and break-down characteristics of the nano-laminate dielectrics; the associated graph of threshold voltage shift measured in vacuum and air; the graph of the mobility change during storage at elevated temperature; and the graph of the mobility change upon bias stress.
23.
M. K.
Ryu
, S.
Yang
, S. H. K.
Park
, C. S.
Hwang
, and J. K.
Jeong
, Appl. Phys. Lett.
95
(17
), 173508
(2009
).24.
M.
Fakhri
, H.
Johann
, P.
Görrn
, and T.
Riedl
, ACS Appl. Mater. Interfaces
4
(9
), 4453
(2012
);
[PubMed]
S.
Yang
, C. S.
Hwang
, J. I.
Lee
, S. M.
Yoon
, M. K.
Ryu
, K. I.
Cho
, S. H. K.
Park
, S. H.
Kim
, C. E.
Park
, and J.
Jang
, Appl. Phys. Lett.
98
(10
), 103515
(2011
).25.
D. H.
Cho
, S. H.
Yang
, J. H.
Shin
, C. W.
Byun
, M. K.
Ryu
, J. I.
Lee
, C. S.
Hwang
, and H. Y.
Chu
, J. Korean Phys. Soc.
54
(1
), 531
(2009
);S.
Yang
, D. H.
Cho
, M. K.
Ryu
, S. H. K.
Park
, C. S.
Hwang
, J.
Jang
, and J. K.
Jeong
, IEEE Electron Device Lett.
31
(2
), 144
(2010
).26.
C. L.
Lin
, W. Y.
Chang
, and C. C.
Hung
, IEEE Electron Device Lett.
34
(9
), 1166
(2013
).27.
I. T.
Cho
, J. M.
Lee
, J. H.
Lee
, and H. I.
Kwon
, Semicond. Sci. Technol.
24
(1
), 015013
(2009
).28.
T.
Kamiya
, K.
Nomura
, and H.
Hosono
, J. Disp. Technol.
5
(7
), 273
(2009
).29.
M. E.
Lopes
, H. L.
Gomes
, M. C. R.
Medeiros
, P.
Barquinha
, L.
Pereira
, E.
Fortunato
, R.
Martins
, and I.
Ferreira
, Appl. Phys. Lett.
95
(6
), 063502
(2009
).30.
S.
Saito
and T.
Nakajima
, J. Appl. Polym. Sci.
2
(4
), 93
(1959
).31.
W. S.
Cheong
, J. M.
Lee
, J. H.
Lee
, S. H. K.
Park
, S. M.
Yoon
, C. W.
Byun
, S.
Yang
, S. M.
Chung
, K. I.
Cho
, and C. S.
Hwang
, ETRI J.
31
(6
), 660
(2009
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
