Fabricando transistores estáveis ​​e de alta mobilidade para tecnologias de exibição de última geração

O trade-off entre mobilidade de portadora e estabilidade em transistores de filme fino baseados em semicondutores de óxido amorfo (TFTs) foi finalmente superado por pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) em um TFT de óxido de zinco e estanho de índio fabricado. Isso pode abrir caminho para o design de tecnologias de exibição mais baratas do que as atuais tecnologias baseadas em silício.

Os semicondutores de óxido amorfo (AOS) são uma opção promissora para a próxima geração de tecnologias de exibição devido ao seu baixo custo e alta mobilidade de elétrons (portadores de carga). A alta mobilidade, em particular, é essencial para imagens de alta velocidade. Mas os AOSs também têm uma desvantagem distinta que está dificultando sua comercialização:a troca de mobilidade/estabilidade.

Um dos principais testes de estabilidade em TFTs é o teste de estabilidade "negative-bias temperature stress" (NBTS). Dois TFTs AOS de interesse são o óxido de índio gálio e zinco (IGZO) e o óxido de índio estanho e zinco (ITZO). Os TFTs IGZO têm alta estabilidade NBTS, mas pouca mobilidade, enquanto os TFTs ITZO têm características opostas. A existência dessa compensação é bem conhecida, mas até agora não houve entendimento de por que ela ocorre.

Em um estudo recente publicado na Nature Electronics , uma equipe de cientistas do Japão já relatou uma solução para essa troca. "Em nosso estudo, nos concentramos na estabilidade do NBTS, que é convencionalmente explicada usando 'aprisionamento de carga'. Isso descreve a perda de carga acumulada no substrato subjacente. No entanto, duvidamos que isso pudesse explicar as diferenças que vemos entre os TFTs IGZO e ITZO, então, em vez disso, nos concentramos na possibilidade de uma mudança na densidade da portadora, ou mudança de nível de Fermi, em o próprio AOS", disse o professor assistente Junghwan Kim, da Tokyo Tech.

Para investigar a estabilidade do NBTS, a equipe usou um "TFT de portão inferior com uma estrutura de canal ativo de duas camadas" compreendendo uma camada AOS estável NBTS (IGZO) e uma camada AOS instável NBTS (ITZO). Eles então caracterizaram o TFT e compararam os resultados com simulações de dispositivos realizadas usando os modelos de retenção de carga e deslocamento de nível de Fermi.

Eles descobriram que os dados experimentais concordavam com o modelo de mudança de nível de Fermi. "Uma vez que tivemos essa informação, a próxima pergunta foi:'Qual é o principal fator que controla a mobilidade em AOSs?'", disse o professor Kim.

A fabricação de TFTs AOS introduz impurezas, incluindo monóxido de carbono (CO), no TFT, especialmente no caso ITZO. A equipe descobriu que a transferência de carga estava ocorrendo entre os AOSs e as impurezas não intencionais. Neste caso, as impurezas de CO estavam doando elétrons para a camada ativa do TFT, o que causou o deslocamento do nível de Fermi e instabilidade do NBTS. “O mecanismo dessa doação de elétrons baseada em CO depende da localização do mínimo da banda de condução, e é por isso que você o vê em TFTs de alta mobilidade, como ITZO, mas não em IGZO”, disse Kim.

Armados com esse conhecimento, os pesquisadores desenvolveram um ITZO TFT sem impurezas de CO, tratando o TFT a 400 ° C e descobriram que era NBTS estável. "Tecnologias de visão superalta precisam de TFTs com mobilidade de elétrons acima de 40 cm ² (Vs) ^-1 . Ao eliminar as impurezas de CO, conseguimos fabricar um ITZO TFT com mobilidade de até 70 cm ² (Vs) ^-1 ", disse Quim.

No entanto, as impurezas de CO por si só não causam instabilidade. De acordo com Kim, "qualquer impureza que induza uma transferência de carga com AOSs pode causar instabilidade de polarização de porta. Para obter TFTs de óxido de alta mobilidade, precisamos de contribuições do lado industrial para esclarecer todas as origens possíveis de impurezas".

Esses resultados podem abrir caminho para a fabricação de outros TFTs AOS semelhantes para uso em tecnologias de exibição, bem como dispositivos de entrada/saída de chip, sensores de imagem e sistemas de energia.