Изготовление стабильных, высокомобильных транзисторов для дисплеев следующего поколения

Компромисс между подвижностью носителей и стабильностью в тонкопленочных транзисторах на основе аморфного оксида и полупроводника (TFT) был наконец преодолен исследователями из Токийского технологического института (Tokyo Tech) в изготовленном TFT на основе индия и олова и цинка. Это может проложить путь к разработке технологий отображения, которые дешевле, чем современные технологии на основе кремния.

Полупроводники на основе аморфных оксидов (AOS) являются многообещающим вариантом для следующего поколения технологий отображения из-за их низкой стоимости и высокой подвижности электронов (носителей заряда). Высокая мобильность особенно важна для высокоскоростных изображений. Но у AOS также есть явный недостаток, который препятствует их коммерциализации:компромисс между мобильностью и стабильностью.

Одним из основных тестов стабильности TFT является тест стабильности «температурный стресс с отрицательным смещением» (NBTS). Двумя интересующими AOS TFT являются оксид индия-галлия-цинка (IGZO) и оксид индия-олова-цинка (ITZO). IGZO TFT имеют высокую стабильность NBTS, но плохую мобильность, в то время как ITZO TFT имеют противоположные характеристики. Существование этого компромисса хорошо известно, но до сих пор не было понимания, почему это происходит.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature Electronics , группа ученых из Японии сообщила о решении этого компромисса. «В нашем исследовании мы сосредоточились на стабильности NBTS, которую обычно объясняют с помощью «улавливания заряда». Это описывает потерю накопленного заряда в нижележащей подложке.Однако мы сомневались, что это может объяснить различия, которые мы наблюдаем между TFT IGZO и ITZO, поэтому вместо этого мы сосредоточились на возможности изменения плотности носителей или сдвига уровня Ферми в самой AOS", — сказал доцент Джунхван Ким из Tokyo Tech.

Чтобы исследовать стабильность NBTS, команда использовала «TFT с нижним затвором и двухслойной структурой активного канала», состоящую из слоя AOS, стабильного NBTS (IGZO), и слоя AOS, нестабильного NBTS (ITZO). Затем они охарактеризовали TFT и сравнили результаты с моделированием устройства, выполненным с использованием моделей захвата заряда и сдвига уровня Ферми.

Они обнаружили, что экспериментальные данные согласуются с моделью сдвига уровня Ферми. "После того, как мы получили эту информацию, следующим вопросом был:"Каков главный фактор, контролирующий мобильность в AOS?" – сказал профессор Ким.

При изготовлении AOS TFT в TFT вводятся примеси, в том числе монооксид углерода (CO), особенно в случае ITZO. Команда обнаружила, что между AOS и непреднамеренными примесями происходил перенос заряда. В этом случае примеси CO отдавали электроны в активный слой ТПТ, что вызывало сдвиг уровня Ферми и неустойчивость NBTS. «Механизм этого донорства электронов на основе CO зависит от местоположения минимума зоны проводимости, поэтому вы видите его в TFT с высокой подвижностью, таких как ITZO, но не в IGZO», — сказал Ким.

Вооружившись этими знаниями, исследователи разработали TFT ITZO без примесей CO, обработав TFT при 400 °C, и обнаружили, что он стабилен в отношении NBTS. «Технологии сверхвысокого зрения нуждаются в TFT с подвижностью электронов выше 40 см ² . (Против) ^-1 . Удалив примеси CO, мы смогли изготовить TFT ITZO с подвижностью до 70 см ² . (Против) ^-1 ", – сказал Ким.

Однако сами по себе примеси CO не вызывают нестабильности. По словам Кима, "любая примесь, вызывающая перенос заряда с AOS, может вызвать нестабильность смещения затвора. Чтобы получить оксидные TFT с высокой подвижностью, нам нужен вклад со стороны промышленности, чтобы выяснить все возможные источники примесей".

Эти результаты могут проложить путь к производству других подобных AOS TFT для использования в технологиях отображения, а также в микросхемах ввода-вывода, датчиках изображения и системах питания.