Fabricación de transistores estables y de alta movilidad para tecnologías de visualización de última generación

Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) han superado finalmente la compensación entre la movilidad del portador y la estabilidad en los transistores de película delgada (TFT) basados ​​en semiconductores de óxido amorfo en un TFT de óxido de zinc de indio y estaño. Esto podría allanar el camino para el diseño de tecnologías de visualización que sean más económicas que las actuales tecnologías basadas en silicio.

Los semiconductores de óxido amorfo (AOS) son una opción prometedora para la próxima generación de tecnologías de visualización debido a su bajo costo y alta movilidad de electrones (portadores de carga). La alta movilidad, en particular, es esencial para imágenes de alta velocidad. Pero los AOS también tienen un inconveniente distintivo que está obstaculizando su comercialización:la compensación de movilidad/estabilidad.

Una de las pruebas principales de estabilidad en TFT es la prueba de estabilidad de "estrés de temperatura de polarización negativa" (NBTS). Dos TFT AOS de interés son el óxido de indio galio zinc (IGZO) y el óxido de indio estaño zinc (ITZO). Los TFT IGZO tienen una alta estabilidad NBTS pero poca movilidad, mientras que los TFT ITZO tienen las características opuestas. La existencia de esta compensación es bien conocida, pero hasta ahora no se ha entendido por qué ocurre.

En un estudio reciente publicado en Nature Electronics , un equipo de científicos de Japón ahora ha informado una solución a esta compensación. "En nuestro estudio, nos enfocamos en la estabilidad de NBTS, que se explica convencionalmente usando 'captura de carga'. Esto describe la pérdida de carga acumulada en el sustrato subyacente. Sin embargo, dudábamos si esto podría explicar las diferencias que vemos entre los TFT IGZO e ITZO, por lo que nos enfocamos en la posibilidad de un cambio en la densidad del portador, o cambio de nivel de Fermi, en el propio AOS", dijo el profesor asistente Junghwan Kim de Tokyo Tech.

Para investigar la estabilidad de NBTS, el equipo utilizó un "TFT de puerta inferior con una estructura de canal activo bicapa" que comprende una capa AOS (IGZO) estable a NBTS y una capa AOS inestable a NBTS (ITZO). Luego caracterizaron la TFT y compararon los resultados con simulaciones de dispositivos realizadas utilizando los modelos de cambio de nivel de Fermi y atrapamiento de carga.

Descubrieron que los datos experimentales coincidían con el modelo de cambio de nivel de Fermi. "Una vez que tuvimos esta información, la siguiente pregunta fue:'¿Cuál es el principal factor que controla la movilidad en los AOS?'", dijo el profesor Kim.

La fabricación de TFT AOS introduce impurezas, incluido el monóxido de carbono (CO), en el TFT, especialmente en el caso de ITZO. El equipo descubrió que se estaba produciendo una transferencia de carga entre los AOS y las impurezas no deseadas. En este caso, las impurezas de CO estaban donando electrones a la capa activa de la TFT, lo que provocó el cambio de nivel de Fermi y la inestabilidad de NBTS. "El mecanismo de esta donación de electrones basada en CO depende de la ubicación del mínimo de la banda de conducción, por lo que se ve en TFT de alta movilidad como ITZO pero no en IGZO", dijo Kim.

Armados con este conocimiento, los investigadores desarrollaron un TFT ITZO sin impurezas de CO al tratar el TFT a 400 °C y descubrieron que era estable NBTS. "Las tecnologías de súper alta visión necesitan TFT con una movilidad de electrones superior a 40 cm ² (Vs) ^-1 . Al eliminar las impurezas de CO, pudimos fabricar un TFT ITZO con una movilidad de hasta 70 cm ² (Vs) ^-1 ", dijo Kim.

Sin embargo, las impurezas de CO por sí solas no provocan inestabilidad. Según Kim, "cualquier impureza que induzca una transferencia de carga con AOS puede causar inestabilidad de polarización de puerta. Para lograr TFT de óxido de alta movilidad, necesitamos contribuciones del lado industrial para aclarar todos los posibles orígenes de las impurezas".

Estos resultados podrían allanar el camino para la fabricación de otros TFT AOS similares para su uso en tecnologías de visualización, así como dispositivos de entrada/salida de chips, sensores de imagen y sistemas de energía.