Tokyo Tech Logra TFTs de Óxido de Indio-Estanzo-Zinc Estables y de Alta Movilidad para Pantallas de Nueva Generación

El compromiso entre movilidad de portadores y estabilidad en transistores de película delgada (TFT) basados en semiconductores de óxido amorfo se ha superado finalmente por investigadores del Instituto de Tecnología de Tokyo (Tokyo Tech) en un TFT de óxido de indio, estaño y zinc fabricado. Esto podría allanar el camino para el diseño de tecnologías de visualización más baratas que las actuales 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 coste 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 distinto que obstaculiza su comercialización: el compromiso movilidad/estabilidad.

Uno de los tests fundamentales de estabilidad en TFTs es la prueba de "estrés de temperatura con sesgo negativo" (NBTS). Dos TFTs AOS de interés son óxido de indio, galio y zinc (IGZO) y óxido de indio, estaño y zinc (ITZO). Los TFTs IGZO tienen alta estabilidad NBTS pero poca movilidad, mientras que los TFTs ITZO tienen las características opuestas. La existencia de este compromiso es bien conocida, pero hasta ahora no ha habido comprensión de por qué ocurre.

En un estudio reciente publicado en Nature Electronics, un equipo de científicos de Japón ha reportado ahora una solución a este compromiso. "En nuestro estudio, nos centramos en la estabilidad NBTS que se explica convencionalmente usando 'trampa de carga'. Esto describe la pérdida de carga acumulada en el sustrato subyacente. Sin embargo, dudamos si esto podría explicar las diferencias que vemos entre TFTs IGZO e ITZO, así que en su lugar nos centramos en la posibilidad de un cambio en la densidad de portadores, o desplazamiento del nivel de Fermi, en el propio AOS", dijo el Profesor Asistente Junghwan Kim de Tokyo Tech.

Para investigar la estabilidad NBTS, el equipo usó un "TFT de compuerta inferior con estructura de canal activo de doble capa" que comprende una capa AOS estable NBTS (IGZO) y una capa AOS inestable NBTS (ITZO). Luego caracterizaron el TFT y compararon los resultados con simulaciones de dispositivos realizadas usando los modelos de trampa de carga y desplazamiento del nivel de Fermi.

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

La fabricación de TFTs AOS introduce impurezas, incluyendo monóxido de carbono (CO), en el TFT, especialmente en el caso ITZO. El equipo encontró que ocurría transferencia de carga entre los AOS y las impurezas no intencionales. En este caso, las impurezas CO donaban electrones a la capa activa del TFT, lo que causaba el desplazamiento del nivel de Fermi y la inestabilidad NBTS. "El mecanismo de esta donación de electrones basada en CO depende de la ubicación del mínimo de la banda de conducción, por eso se ve en TFTs de alta movilidad como ITZO pero no en IGZO", dijo Kim.

Armados con este conocimiento, los investigadores desarrollaron un TFT ITZO sin impurezas CO tratando el TFT a 400 °C y encontraron que era estable NBTS. "Las tecnologías de súper alta visión necesitan TFTs con movilidad de electrones superior a 40 cm² (Vs)^-1. Al eliminar las impurezas CO, pudimos fabricar un TFT ITZO con una movilidad tan alta como 70 cm² (Vs)^-1", dijo Kim.

Sin embargo, las impurezas CO por sí solas no causan inestabilidad. Según Kim, "Cualquier impureza que induzca una transferencia de carga con AOSs puede causar inestabilidad de sesgo de compuerta. Para lograr TFTs de óxido de alta movilidad, necesitamos contribuciones del lado industrial para clarificar todos los posibles orígenes de impurezas".

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