Herstellung stabiler, hochmobiler Transistoren für Display-Technologien der nächsten Generation

Der Kompromiss zwischen Trägermobilität und Stabilität in Dünnschichttransistoren (TFTs) auf Basis von amorphen Oxidhalbleitern wurde schließlich von Forschern des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in einem hergestellten Indium-Zinn-Zinkoxid-TFT überwunden. Dies könnte den Weg für die Entwicklung von Anzeigetechnologien ebnen, die billiger sind als aktuelle siliziumbasierte Technologien.

Amorphe Oxidhalbleiter (AOS) sind aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer hohen Mobilität von Elektronen (Ladungsträgern) eine vielversprechende Option für die nächste Generation von Anzeigetechnologien. Insbesondere die hohe Mobilität ist für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen unerlässlich. Aber AOSs haben auch einen deutlichen Nachteil, der ihre Kommerzialisierung behindert:der Kompromiss zwischen Mobilität und Stabilität.

Einer der Kerntests für die Stabilität von TFTs ist der "negative-bias temperature stress" (NBTS) Stabilitätstest. Zwei interessante AOS-TFTs sind Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) und Indium-Zinn-Zink-Oxid (ITZO). IGZO-TFTs haben eine hohe NBTS-Stabilität, aber eine schlechte Mobilität, während ITZO-TFTs die gegenteiligen Eigenschaften haben. Die Existenz dieses Kompromisses ist allgemein bekannt, aber bisher wurde nicht verstanden, warum er auftritt.

In einer kürzlich in Nature Electronics veröffentlichten Studie hat ein Team von Wissenschaftlern aus Japan nun eine Lösung für diesen Kompromiss gemeldet. „In unserer Studie haben wir uns auf die NBTS-Stabilität konzentriert, die herkömmlicherweise mit ‚Charge Trapping‘ erklärt wird. Dies beschreibt den Verlust angesammelter Ladung in das darunterliegende Substrat. Wir bezweifelten jedoch, ob dies die Unterschiede erklären könnte, die wir zwischen IGZO- und ITZO-TFTs sehen, also konzentrierten wir uns stattdessen auf die Möglichkeit einer Änderung der Ladungsträgerdichte oder einer Verschiebung des Fermi-Niveaus das AOS selbst", sagte Assistenzprofessor Junghwan Kim von Tokyo Tech.

Um die NBTS-Stabilität zu untersuchen, verwendete das Team einen „Bottom-Gate-TFT mit einer Doppelschicht-Aktivkanalstruktur“, der eine NBTS-stabile AOS-Schicht (IGZO) und eine NBTS-instabile AOS-Schicht (ITZO) umfasst. Anschließend charakterisierten sie den TFT und verglichen die Ergebnisse mit Vorrichtungssimulationen, die unter Verwendung des Charge-Trapping- und des Fermi-Level-Shift-Modells durchgeführt wurden.

Sie fanden heraus, dass die experimentellen Daten mit dem Fermi-Level-Shift-Modell übereinstimmten. „Nachdem wir diese Informationen hatten, lautete die nächste Frage:‚Was ist der Hauptfaktor, der die Mobilität bei AOS steuert?'“, sagte Professor Kim.

Die Herstellung von AOS-TFTs führt Verunreinigungen, einschließlich Kohlenmonoxid (CO), in den TFT ein, insbesondere im ITZO-Fall. Das Team stellte fest, dass zwischen den AOS und den unbeabsichtigten Verunreinigungen eine Ladungsübertragung stattfand. In diesem Fall spendeten die CO-Verunreinigungen Elektronen in die aktive Schicht des TFT, was die Verschiebung des Fermi-Niveaus und die NBTS-Instabilität verursachte. "Der Mechanismus dieser CO-basierten Elektronenspende hängt von der Position des Leitungsbandminimums ab, weshalb man ihn in Hochmobilitäts-TFTs wie ITZO, aber nicht in IGZO sieht", sagte Kim.

Bewaffnet mit diesem Wissen entwickelten die Forscher einen ITZO-TFT ohne CO-Verunreinigungen, indem sie den TFT bei 400 °C behandelten und feststellten, dass er NBTS-stabil war. „Super-High-Vision-Technologien brauchen TFTs mit einer Elektronenbeweglichkeit von über 40 cm ² (Vs) ^-1 . Durch Eliminieren der CO-Verunreinigungen konnten wir einen ITZO-TFT mit einer Mobilität von bis zu 70 cm ² herstellen (Vs) ^-1 ,", sagte Kim.

CO-Verunreinigungen allein verursachen jedoch keine Instabilität. Laut Kim „kann jede Verunreinigung, die einen Ladungstransfer mit AOSs induziert, eine Instabilität der Gate-Vorspannung verursachen

Diese Ergebnisse könnten den Weg für die Herstellung anderer ähnlicher AOS-TFTs für den Einsatz in Anzeigetechnologien sowie für Chip-Eingabe-/Ausgabegeräte, Bildsensoren und Stromversorgungssysteme ebnen.