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.

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
);
T.
Kamiya
,
K.
Nomura
, and
H.
Hosono
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
11
(
4
),
044305
(
2010
);
[PubMed]
E.
Fortunato
,
P.
Barquinha
, and
R.
Martins
,
Adv. Mater.
24
(
22
),
2945
(
2012
);
[PubMed]
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.
J. C.
Park
,
H. N.
Lee
, and
S.
Im
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
5
(
15
),
6990
(
2013
);
[PubMed]
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
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.