Tokyo Tech doorbraak: Stabiele, hoge-mobiliteit Indium-Tin-Zinc-Oxide TFTs drijven next-gen displays

De afweging tussen draagmobiliteit en stabiliteit in amorfe oxide halfgeleider-gebaseerde dunne film transistors (TFTs) is eindelijk overwonnen door onderzoekers van Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in een gefabriceerde indium tin zinc oxide TFT. Dit kan de weg banen voor het ontwerpen van displaytechnologieën die goedkoper zijn dan huidige silicium-gebaseerde technologieën.

Amorfe oxide halfgeleiders (AOS) zijn een veelbelovende optie voor de volgende generatie displaytechnologieën vanwege hun lage kosten en hoge elektron (ladingsdrager) mobiliteit. De hoge mobiliteit, in het bijzonder, is essentieel voor hoge-snelheid beelden. Maar AOS's hebben ook een duidelijk nadeel dat hun commercialisatie belemmert: de mobiliteit/stabiliteit afweging.

Een van de kerntoetsen van stabiliteit in TFTs is de "negative-bias temperature stress" (NBTS) stabiliteitstest. Twee AOS TFTs van belang zijn indium gallium zinc oxide (IGZO) en indium tin zinc oxide (ITZO). IGZO TFTs hebben hoge NBTS stabiliteit maar slechte mobiliteit terwijl ITZO TFTs de tegenovergestelde kenmerken hebben. Het bestaan van deze afweging is bekend, maar tot nu toe is er geen begrip geweest van waarom het optreedt.

In een recent onderzoek gepubliceerd in Nature Electronics, heeft een team wetenschappers uit Japan nu een oplossing voor deze afweging gerapporteerd. "In onze studie, focusden we ons op NBTS stabiliteit wat conventioneel uitgelegd wordt met 'lading vangen.' Dit beschrijft de verlies van geaccumulereerde lading in de onderliggende substraat. Echter, we twijfelden of dit de verschillen die we zien tussen IGZO en ITZO TFTs kon verklaren, dus in plaats daarvan focusden we op de mogelijkheid van een verandering in dragerdichtheid, of Fermi-niveau verschuiving, in de AOS zelf," zei Assistant Professor Junghwan Kim van Tokyo Tech.

Om de NBTS stabiliteit te onderzoeken, gebruikte het team een "bottom-gate TFT met een bilayer actief-kanaal structuur" bestaande uit een NBTS-stabiele AOS (IGZO) laag en een NBTS-onstabiele AOS (ITZO) laag. Ze karakteriseerden dan de TFT en vergelyken de resultaten met apparaatsimulaties uitgevoerd met het lading-vang en het Fermi-niveau verschuiving model.

Ze vonden dat de experimentele data overeenkwam met het Fermi-niveau verschuiving model. "Eenmaal we deze informatie hadden, was de volgende vraag, 'Wat is de belangrijkste factor die mobiliteit in AOS's controleert?'" zei Professor Kim.

De fabricage van AOS TFTs introduceert verontreinigingen, inclusief koolstofmonoxide (CO), in de TFT, met name in het ITZO geval. Het team vond dat ladingsoverdracht plaatsvond tussen de AOS's en de ongewilde verontreinigingen. In dit geval doneerden de CO verontreinigingen elektronen in de actieve laag van de TFT, wat de Fermi-niveau verschuiving en NBTS onstabiliteit veroorzaakte. "Het mechanisme van deze CO-gebaseerde elektrondonatie is afhankelijk van de locatie van het geleidingsband minimum, wat waarom je het ziet in hoge-mobiliteit TFTs zoals ITZO maar niet in IGZO," zei Kim.

Gewapend met deze kennis, ontwikkelden de onderzoekers een ITZO TFT zonder CO verontreinigingen door de TFT te behandelen bij 400 °C en vonden dat het NBTS stabiel was. "Super-hoge visietechnologieën hebben TFTs nodig met een elektronenmobiliteit boven 40 cm² (Vs)^-1. Door de CO verontreinigingen te elimineren, waren we in staat om een ITZO TFT te fabriceren met een mobiliteit zo hoog als 70 cm² (Vs)^-1," zei Kim.

Echter, CO verontreinigingen alleen veroorzaken geen onstabiliteit. Volgens Kim, "Elke verontreiniging die een ladingsoverdracht induceert met AOS's kan gate-bias onstabiliteit veroorzaken. Om hoge-mobiliteit oxide TFTs te bereiken, hebben we bijdragen nodig van de industriële kant om alle mogelijke oorsprongen voor verontreinigingen te verduidelijken."

Deze resultaten kunnen de weg banen voor fabricage van andere gelijkaardige AOS TFTs voor gebruik in displaytechnologieën, alsook chip input/output apparaten, beeldsensoren en energiestelsels.