为下一代显示技术制造稳定的高迁移率晶体管

东京工业大学 (Tokyo Tech) 的研究人员终于在制造的铟锡锌氧化物 TFT 中克服了载流子迁移率和基于非晶氧化物半导体的薄膜晶体管 (TFT) 稳定性之间的权衡。这可以为设计比当前基于硅的技术更便宜的显示技术铺平道路。

非晶氧化物半导体 (AOS) 因其低成本和高电子（电荷载流子）迁移率而成为下一代显示技术的有前途的选择。特别是高移动性对于高速图像至关重要。但 AOS 也有一个明显的缺点，阻碍了它们的商业化：移动性/稳定性的权衡。

TFT 中稳定性的核心测试之一是“负偏压温度应力”（NBTS）稳定性测试。感兴趣的两个 AOS TFT 是氧化铟镓锌 (IGZO) 和氧化铟锡锌 (ITZO)。 IGZO TFT 具有较高的 NBTS 稳定性，但迁移率较差，而 ITZO TFT 则具有相反的特性。这种权衡的存在是众所周知的，但到目前为止还没有理解它为什么会发生。

在最近发表在自然电子学上的一项研究中 ，来自日本的一组科学家现在报告了这种权衡的解决方案。 “在我们的研究中，我们专注于 NBTS 稳定性，这通常使用'电荷捕获'来解释。这描述了累积电荷损失到底层基板中。然而，我们怀疑这是否可以解释我们在 IGZO 和 ITZO TFT 之间看到的差异，因此我们关注的是载流子密度或费米能级偏移的可能性。 AOS 本身，”东京工业大学的助理教授 Junghwan Kim 说。

为了研究 NBTS 的稳定性，该团队使用了一种“具有双层有源通道结构的底栅 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​​使用电荷俘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。 “一旦我们掌握了这些信息，下一个问题就是，‘控制 AOS 移动性的主要因素是什么？’”Kim 教授说。

AOS TFT 的制造会在 TFT 中引入杂质，包括一氧化碳 (CO)，尤其是在 ITZO 情况下。研究小组发现 AOS 和非预期杂质之间发生了电荷转移。在这种情况下，CO 杂质将电子提供给 TFT 的有源层，这导致了费米能级偏移和 NBTS 不稳定性。 “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，但在 IGZO 中没有看到它的原因，”Kim 说。

有了这些知识，研究人员通过在 400°C 下处理 TFT 开发了一种不含 CO 杂质的 ITZO TFT，发现它是 NBTS 稳定的。 “超高视觉技术需要电子迁移率超过 40 cm ² 的 TFT (Vs) ^-1 .通过消除 CO 杂质，我们能够制造出迁移率高达 70 cm ² 的 ITZO TFT (Vs) ^-1 ，”金说。

然而，单独的 CO 杂质不会导致不稳定。 Kim 表示，“任何通过 AOS 引起电荷转移的杂质都可能导致栅极偏置不稳定。为了实现高迁移率氧化物 TFT，我们需要工业方面的贡献来阐明杂质的所有可能来源。”

这些结果可为制造其他类似的用于显示技术的 AOS TFT 以及芯片输入/输出设备、图像传感器和电源系统铺平道路。