Fabriceren van stabiele, zeer mobiele transistoren voor displaytechnologieën van de volgende generatie

De wisselwerking tussen draaggolfmobiliteit en stabiliteit in op amorfe oxide halfgeleider gebaseerde dunne-filmtransistors (TFT's) is eindelijk overwonnen door onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in een gefabriceerde indiumtin-zinkoxide-TFT. Dit zou de weg kunnen effenen voor het ontwerpen van displaytechnologieën die goedkoper zijn dan de huidige op silicium gebaseerde technologieën.

Amorfe oxidehalfgeleiders (AOS) zijn een veelbelovende optie voor de volgende generatie weergavetechnologieën vanwege hun lage kosten en hoge mobiliteit van elektronen (ladingsdragers). Vooral de hoge mobiliteit is essentieel voor snelle beelden. Maar AOS's hebben ook een duidelijk nadeel dat hun commercialisering belemmert:de afweging tussen mobiliteit en stabiliteit.

Een van de kerntests van stabiliteit in TFT's is de "negative-bias temperature stress" (NBTS) stabiliteitstest. Twee interessante AOS TFT's zijn indium gallium zinkoxide (IGZO) en indium tin zinkoxide (ITZO). IGZO TFT's hebben een hoge NBTS-stabiliteit maar een slechte mobiliteit, terwijl ITZO TFT's de tegenovergestelde kenmerken hebben. Het bestaan ​​van deze afweging is bekend, maar tot nu toe is er geen idee waarom deze optreedt.

In een recente studie gepubliceerd in Nature Electronics , heeft een team van wetenschappers uit Japan nu een oplossing voor deze afweging gemeld. "In onze studie hebben we ons gericht op NBTS-stabiliteit, wat conventioneel wordt verklaard met behulp van 'charge trapping'. Dit beschrijft het verlies van geaccumuleerde lading in het onderliggende substraat. We betwijfelden echter of dit de verschillen zou kunnen verklaren die we zien tussen IGZO en ITZO TFT's, dus in plaats daarvan concentreerden we ons op de mogelijkheid van een verandering in dragerdichtheid, of Fermi-niveauverschuiving, in de AOS zelf", zegt assistent-professor Junghwan Kim van Tokyo Tech.

Om de NBTS-stabiliteit te onderzoeken, gebruikte het team een ​​"bottom-gate TFT met een dubbellaagse actieve-kanaalstructuur" bestaande uit een NBTS-stabiele AOS (IGZO) laag en een NBTS-instabiele AOS (ITZO) laag. Vervolgens karakteriseerden ze de TFT en vergeleken de resultaten met apparaatsimulaties die werden uitgevoerd met behulp van de modellen voor ladingsvangst en de Fermi-level shift-modellen.

Ze ontdekten dat de experimentele gegevens overeenkwamen met het Fermi-level shift-model. "Toen we deze informatie eenmaal hadden, was de volgende vraag:'Wat is de belangrijkste factor die de mobiliteit in AOS'en regelt?'", zei professor Kim.

De fabricage van AOS TFT's introduceert onzuiverheden, waaronder koolmonoxide (CO), in de TFT, vooral in het geval van ITZO. Het team ontdekte dat er ladingsoverdracht plaatsvond tussen de AOS's en de onbedoelde onzuiverheden. In dit geval doneerden de CO-onzuiverheden elektronen in de actieve laag van de TFT, wat de Fermi-niveauverschuiving en NBTS-instabiliteit veroorzaakte. "Het mechanisme van deze op CO gebaseerde elektronendonatie is afhankelijk van de locatie van het geleidingsbandminimum, daarom zie je het in TFT's met hoge mobiliteit zoals ITZO, maar niet in IGZO," zei Kim.

Gewapend met deze kennis ontwikkelden de onderzoekers een ITZO TFT zonder CO-onzuiverheden door de TFT te behandelen bij 400 °C en ontdekten dat deze NBTS-stabiel was. "Super-high vision-technologieën hebben TFT's nodig met een elektronenmobiliteit van meer dan 40 cm ² (Vs) ^-1 . Door de CO-onzuiverheden te elimineren, konden we een ITZO TFT fabriceren met een mobiliteit van wel 70 cm ² (Vs) ^-1 ," zei Kim.

CO-onzuiverheden alleen veroorzaken echter geen instabiliteit. Volgens Kim:"Elke onzuiverheid die een ladingsoverdracht met AOS's veroorzaakt, kan gate-bias-instabiliteit veroorzaken. Om oxide-TFT's met hoge mobiliteit te bereiken, hebben we bijdragen van de industriële kant nodig om alle mogelijke oorsprong van onzuiverheden te verduidelijken."

Deze resultaten kunnen de weg vrijmaken voor de fabricage van andere vergelijkbare AOS TFT's voor gebruik in weergavetechnologieën, evenals chipinvoer-/uitvoerapparaten, beeldsensoren en voedingssystemen.