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为下一代显示技术制造稳定、高迁移率晶体管

在无定形氧化物半导体薄膜晶体管(TFTs)中,载流子迁移率和稳定性之间的权衡终于被东京工业大学(Tokyo Tech)的研究人员巧妙地制造出铟锡锌氧化物TFT。这为设计比当前硅基技术更便宜的显示技术铺平了道路。
无定形氧化物半导体(AOS)由于其低成本和高电子(载流子)迁移率,是下一代显示技术的一个有前途的选择。高移动性对于高速图像尤为重要。但AOSs也有一个明显的缺点,阻碍了它们的商业化——流动性-稳定性的权衡。
tft稳定性的核心测试之一是“负偏温应力”(NBTS)稳定性测试。两种感兴趣的AOS TFTs是铟镓氧化锌(IGZO)和铟锡氧化锌(ITZO)。IGZO tft具有较高的NBTS稳定性,但迁移性较差,而ITZO tft具有相反的特性。这种权衡的存在是众所周知的,但到目前为止,还没有人了解它为什么会发生。
最近发表在电子性质在美国,来自日本的一组科学家现在报告了一种解决这种权衡的方法。“在我们的研究中,我们专注于NBTS的稳定性,这通常是用‘电荷俘获’来解释的。“这描述了积聚电荷到底层衬底的损失。然而,我们怀疑这是否能解释我们在IGZO和ITZO tft中看到的差异,所以我们关注的是AOS本身载流子密度变化或费米能级变化的可能性,”东京工业大学助理教授Junghwan Kim解释说,他领导了这项研究。
为了研究NBTS的稳定性,该团队使用了一种“具有双分子层有源通道结构的底部门TFT”,包括一个NBTS稳定的AOS (IGZO)层和一个NBTS不稳定的AOS (ITZO)层。然后,他们对TFT进行了表征,并将结果与使用电荷捕获和费米能级位移模型进行的器件模拟进行了比较。
他们发现实验数据与费米能级位移模型一致。“一旦我们有了这些信息,下一个问题是,‘控制AOSs流动性的主要因素是什么?’”金教授说。
AOS TFT的制造过程中引入了包括一氧化碳(CO)在内的杂质,尤其是在ITZO情况下。研究小组发现,电荷转移发生在AOSs和非预期杂质之间。在这种情况下,CO杂质给电子到TFT的活性层,从而引起费米能级位移和NBTS不稳定。“这种基于co的电子捐赠机制取决于导带最小值的位置,这就是为什么你在ITZO等高迁移率tft中看到它,而在IGZO中看不到,”Kim教授解释说。
有了这些知识,研究人员通过在400°C处理TFT,开发了一种不含CO杂质的ITZO TFT,并发现它是NBTS稳定的。“超高视觉技术需要电子迁移率超过40厘米的tft2(Vs)-1.通过去除CO杂质,我们能够制造出迁移率高达70厘米的ITZO TFT2(Vs)-1金教授兴奋地说。
然而,CO杂质本身并不会引起不稳定。“任何与AOSs诱导电荷转移的杂质都可能导致门偏不稳定性。为了实现高迁移率氧化物tft,我们需要工业方面的贡献,以澄清所有可能的杂质来源,”Kim教授断言。
这一结果将为制造其他类似的AOS tft铺平道路,用于显示技术,以及芯片输入/输出设备,图像传感器和电源系统。此外,考虑到它们的低成本,它们甚至可能取代更昂贵的硅基技术。
参考
作者:yu - Shiah1沈kihyung Sim1,石宇浩1阿部胜美2上田茂典3.,佐濑正人1, Junghwan Kim1细野秀夫1、3
原论文题目:氧化物薄膜晶体管的迁移稳定性权衡
日报:电子性质
社会兼职:
1元素策略材料研究中心,东京工业大学,日本
2Silvaco,日本
3.WPI-MANA,日本国立材料科学研究所
关于东京工业大学
东京工业大学是日本领先的科学技术大学,在研究和高等教育方面处于领先地位。东京工业大学的研究人员擅长于材料科学、生物学、计算机科学和物理学等领域。东京工业大学成立于1881年,每年招收超过10,000名本科生和研究生,他们发展成为科学领袖和工业界最受欢迎的工程师。体现了日本的“monotsukuri”哲学,意思是“技术独创性和创新”,东京工业大学致力于通过高影响力的研究为社会做出贡献。https://www.titech.ac.jp/英语/

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