Tokyo Tech Durchbruch: Stabile, hochmobile Indium-Zinn-Zink-Oxid-TFTs treiben Next-Gen-Displays an

Der Trade-off zwischen Ladungsträgermobilität und Stabilität in amorphen Oxidhalbleiter-basierten Dünnfilmtransistoren (TFTs) wurde endlich von Forschern des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in einem gefertigten Indium-Zinn-Zink-Oxid-TFT überwunden. Dies könnte den Weg für das Design von Display-Technologien ebnen, die günstiger sind als aktuelle Silizium-basierte Technologien.

Amorphe Oxidhalbleiter (Amorphous Oxide Semiconductors, AOS) sind eine vielversprechende Option für die nächste Generation von Display-Technologien aufgrund ihrer niedrigen Kosten und hohen Elektronen- (Ladungsträger-) Mobilität. Die hohe Mobilität ist insbesondere essenziell für hochgeschwindige Bilder. Aber AOSs haben auch einen deutlichen Nachteil, der ihre Kommerzialisierung behindert: den Mobilitäts/Stabilitäts-Trade-off.

Einer der Kerntests für Stabilität in TFTs ist der „Negative-Bias-Temperature-Stress“ (NBTS) Stabilitätstest. Zwei AOS-TFTs von Interesse sind Indium-Gallium-Zink-Oxid (IGZO) und Indium-Zinn-Zink-Oxid (ITZO). IGZO-TFTs haben hohe NBTS-Stabilität, aber schlechte Mobilität, während ITZO-TFTs die gegenteiligen Eigenschaften haben. Die Existenz dieses Trade-offs ist bekannt, aber bislang gab es kein Verständnis dafür, warum er auftritt.

In einer kürzlich in Nature Electronics veröffentlichten Studie hat ein Team von Wissenschaftlern aus Japan nun eine Lösung für diesen Trade-off berichtet. „In unserer Studie fokussierten wir uns auf NBTS-Stabilität, die konventionell mittels ‚Ladungsfang‘ erklärt wird. Dies beschreibt den Verlust akkumulierter Ladung in den darunterliegenden Substrat. Wir zweifelten jedoch, ob dies die Unterschiede erklären könnte, die wir zwischen IGZO- und ITZO-TFTs sehen, also fokussierten wir uns stattdessen auf die Möglichkeit einer Änderung der Ladungsträgerdichte, oder Fermi-Level-Verschiebung, im AOS selbst“, sagte Assistant Professor Junghwan Kim von Tokyo Tech.

Um die NBTS-Stabilität zu untersuchen, nutzte das Team einen „Bottom-Gate-TFT mit einer Bilayer-Aktivkanal-Struktur“, bestehend aus einer NBTS-stabilen AOS-Schicht (IGZO) und einer NBTS-instabilen AOS-Schicht (ITZO). Sie charakterisierten dann den TFT und verglichen die Ergebnisse mit Gerätesimulationen, die mit dem Ladungsfang- und dem Fermi-Level-Verschiebungs-Modell durchgeführt wurden.

Sie fanden, dass die experimentellen Daten mit dem Fermi-Level-Verschiebungs-Modell übereinstimmten. „Sobald wir diese Information hatten, war die nächste Frage: ‚Was ist der Hauptfaktor, der Mobilität in AOSs kontrolliert?‘“, sagte Professor Kim.

Die Fertigung von AOS-TFTs führt Verunreinigungen ein, einschließlich Kohlenmonoxid (CO), in den TFT, besonders im ITZO-Fall. Das Team fand, dass Ladungstransfer zwischen den AOSs und den unbeabsichtigten Verunreinigungen stattfand. In diesem Fall spendeten die CO-Verunreinigungen Elektronen in den aktiven Layer des TFT, was die Fermi-Level-Verschiebung und NBTS-Instabilität verursachte. „Der Mechanismus dieser CO-basierten Elektronenspende ist abhängig von der Lage des Leitungsbandminimums, weshalb man es in hochmobilen TFTs wie ITZO sieht, aber nicht in IGZO“, sagte Kim.

Mit diesem Wissen entwickelten die Forscher einen ITZO-TFT ohne CO-Verunreinigungen, indem sie den TFT bei 400 °C behandelten, und fanden, dass er NBTS-stabil war. „Super-High-Vision-Technologien brauchen TFTs mit einer Elektronenmobilität über 40 cm²/(Vs). Durch Eliminierung der CO-Verunreinigungen konnten wir einen ITZO-TFT mit einer Mobilität von bis zu 70 cm²/(Vs) fertigen“, sagte Kim.

Allerdings verursachen CO-Verunreinigungen allein keine Instabilität. Laut Kim: „Jede Verunreinigung, die einen Ladungstransfer mit AOSs induziert, kann Gate-Bias-Instabilität verursachen. Um hochmobile Oxid-TFTs zu erreichen, brauchen wir Beiträge von der industriellen Seite, um alle möglichen Ursprünge für Verunreinigungen zu klären.“

Diese Ergebnisse könnten den Weg für die Fertigung anderer ähnlicher AOS-TFTs für Display-Technologien, Chip-Ein-/Ausgabegeräte, Bildsensoren und Stromsysteme ebnen.