Прорыв Tokyo Tech: стабильные высокомобильные TFT на оксиде индия-олова-цинка двигают дисплеи следующего поколения

Компромисс между подвижностью носителей заряда и стабильностью в тонкопленочных транзисторах (TFT) на основе аморфных оксидных полупроводников наконец преодолен исследователями из Токийского технологического института (Tokyo Tech) в изготовленном TFT на оксиде индия-олова-цинка. Это может проложить путь для проектирования дисплейных технологий, которые дешевле текущих кремниевых технологий.

Аморфные оксидные полупроводники (AOS) — перспективный вариант для следующего поколения дисплейных технологий из-за их низкой стоимости и высокой подвижности электронов (носителей заряда). Высокая подвижность, в частности, необходима для высокоскоростных изображений. Но AOS также имеют явный недостаток, препятствующий их коммерциализации: компромисс подвижность/стабильность.

Одним из основных тестов стабильности в TFT является тест стабильности «негативного смещения температуры» (NBTS). Два TFT AOS интереса — это оксид индия-галлия-цинка (IGZO) и оксид индия-олова-цинка (ITZO). TFT IGZO имеют высокую NBTS стабильность, но низкую подвижность, в то время как TFT ITZO имеют противоположные характеристики. Существование этого компромисса хорошо известно, но до сих пор не было понимания, почему он происходит.

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Electronics, команда ученых из Японии теперь сообщила решение этого компромисса. «В нашем исследовании мы фокусировались на NBTS стабильности, которая традиционно объясняется через «захват заряда». Это описывает потерю накопленного заряда в нижележащую подложку. Однако мы сомневались, может ли это объяснить различия, которые мы видим между IGZO и ITZO TFT, поэтому вместо этого мы фокусировались на возможности изменения плотности носителей, или сдвига уровня Ферми, в самом AOS», — сказал доцент Ёнхва Ким из Tokyo Tech.

Для исследования NBTS стабильности команда использовала «TFT с нижним затвором и двухслойной активной канальной структурой», включающую NBTS-стабильный слой AOS (IGZO) и NBTS-нестабильный слой AOS (ITZO). Затем они охарактеризовали TFT и сравнили результаты с симуляциями устройства, выполненными с использованием моделей захвата заряда и сдвига уровня Ферми.

Они обнаружили, что экспериментальные данные согласовали с моделью сдвига уровня Ферми. «Как только мы получили эту информацию, следующий вопрос был: "Какой основной фактор контролирует подвижность в AOS?"» — сказал профессор Ким.

Фабрикация TFT AOS вводит примеси, включая угарный газ (CO), в TFT, особенно в случае ITZO. Команда обнаружила, что зарядовый перенос происходил между AOS и непреднамеренными примесями. В этом примеси CO дарили электроны в активный слой TFT, что вызывало сдвиг уровня Ферми и NBTS нестабильность. «Механизм этого CO-основанного электронного дарения зависит от местоположения минимума зоны проводимости, поэтому вы видите это в высокомобильных TFT, таких как ITZO, но не в IGZO», — сказал Ким.

Вооруженные этим знанием, исследователи разработали TFT ITZO без примесей CO, обрабатывая TFT при 400 °C и обнаружили, что он был NBTS стабильным. «Технологии сверхвысокого зрения нуждаются в TFT с подвижностью электронов выше 40 см² (В·с)^-1. Устраняя примеси CO, мы смогли изготовить TFT ITZO с подвижностью до 70 см² (В·с)^-1», — сказал Ким.

Однако примеси CO в одиночку не вызывают нестабильность. Согласно Ким, «Любая примесь, индуцирующая зарядовый перенос с AOS, может вызвать нестабильность шлюзового смещения. Для достижения высокомобильных оксидных TFT нам нужны вклады от промышленной стороны для прояснения всех возможных источников примесей».

Эти результаты могут проложить путь для фабрикации других подобных TFT AOS для использования в дисплейных технологиях, а также в чипах ввода/вывода, образовых сенсорах и системах питания.