科学家制造出稳定、高迁移率的 ITZO TFT

Tokyo Tech 团队展示了下一代显示技术的低成本发展方向

东京工业大学（Tokyo Tech）的研究人员终于克服了非晶态氧化物半导体TFT中载流子迁移率和稳定性之间的权衡问题，开发出了一种巧妙制造的铟锡锌氧化物TFT。这可能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）迁移率而有望成为下一代显示技术的选择。尤其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——移动性与稳定性之间的权衡。

TFT 稳定性的核心测试之一是“负偏置温度应力”(NBTS) 稳定性测试。两种感兴趣的 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，人们还不理解为什么会发生这种情况。

在最近发表在《自然电子学》（ Nature Electronics） 上的一项研究中，来自日本的一组科学家报告了这种权衡的解决方案。 “在我们的研究中，我们将重点放在 NBTS 稳定性上，这通常是用‘电荷捕获’来解释的。”这描述了累积电荷在底层衬底中的损失。然而，我们怀疑这是否可以解释我们在 IGZO 和 ITZO TFT 中看到的差异，因此我们将重点放在载流子密度变化或 AOS 本身的费米能级变化的可能性，”该研究负责人，东京工业大学助理教授 Junghwan Kim 解释说。

为了研究 NBTS 的稳定性，该团队使用了“具有双层有源沟道结构的底栅 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​​使用电荷捕获和费米能级漂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 说。

AOS TFT 的制造会将包括一氧化碳 (CO) 在内的杂质引入 TFT，尤其是在 ITZO 情况下。该团队发现 AOS 和非预期杂质之间发生了电荷转移。在这种情况下，CO 杂质向 TFT 的有源层提供电子，从而导致费米能级偏移和 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，这就是为什么在高迁移率TFT（如ITZO）中可以看到它，但在IGZO中却看不到它的原因。”Kim 解释道。

有了这方面的知识，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，并发现它是稳定的 NBTS。 “超高视觉技术需要电子迁移率高于 40 cm² (Vs)^-1 的 TFT。通过消除 CO 杂质，我们能够制造出迁移率高达 70 cm² (Vs)^-1 的 ITZO TFT，”Kim 评论道。

然而，仅CO 杂质不会导致不稳定性。 “任何引起 AOS 电荷转移的杂质都会导致栅极偏置不稳定。为了实现高迁移率的氧化物 TFT，我们需要工业方面的贡献来阐明杂质的所有可能来源，”Kim 说。

该结果可为制造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的其他类似 AOS TFT 铺平道路。此外，鉴于其低成本，它们甚至可能取代更昂贵的硅基技术。

参考

Shiah, YS., Sim, K., Shi, Y. et al. Mobility-stability trade-off in oxide thin-film transistors. Nat Electron 4, 800-807 (2021)

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