ترانزیستورهای لایه نازک با تحرک بالا برای نمایشگرهای نسل بعدی

16 دسامبر 2021 // توسط نیک فلاهرتی

محققان ژاپنی یک ترانزیستور لایه نازک اکسید روی ایندیم قلع (TFT) ساخته اند که به اندازه کافی پایدار است تا برای نمایشگرهای نسل بعدی استفاده شود.

گروهی از موسسه فناوری توکیو  می گویند که بر تضاد بین تحرک حامل و پایداری در ترانزیستورهای لایه نازک مبتنی بر نیمه هادی اکسید آمورف (TFT) با طراحی جدید اکسید روی قلع ایندیم غلبه کرده اند. این می‌تواند راه را برای طراحی فناوری‌های نمایشگر که ارزان‌تر از فناوری‌های مبتنی بر سیلیکون فعلی هستند، هموار کند.

نیمه هادی های اکسید آمورف (AOS) به دلیل هزینه کم و تحرک بالای الکترون (حامل شارژ) گزینه امیدوارکننده ای برای نسل بعدی فناوری های نمایشگر هستند. تحرک بالا، به ویژه، برای تصاویر با سرعت بالا ضروری است. با این حال، مبادله تحرک و ثبات یک مانع کلیدی برای تجاری سازی بوده است.

یکی از آزمون‌های اصلی پایداری در TFT، تست پایداری تنش دمایی بایاس منفی (NBTS) است. دو AOS TFT مورد علاقه ایندیوم گالیوم روی اکسید (IGZO) و ایندیم قلع اکسید روی (ITZO) هستند. TFT های IGZO پایداری NBTS بالایی دارند اما تحرک ضعیفی دارند در حالی که TFT های ITZO ویژگی های مخالف دارند. وجود این مبادله به خوبی شناخته شده است، اما تاکنون هیچ درک درستی از علت وقوع آن وجود نداشته است.

سرپرست مطالعه منتشر شده در Natur Electronics می گوید که در مطالعه خود، ما بر پایداری NBTS تمرکز کردیم که به طور معمول با استفاده از “به دام انداختن شارژ” توضیح داده می شود. این از دست دادن بار انباشته شده در بستر زیرین را توصیف می کند. با این حال، ما شک داشتیم که آیا این می تواند تفاوت هایی را که در IGZO و ITZO TFT می بینیم توضیح دهد، بنابراین در عوض روی امکان تغییر در تراکم حامل یا تغییر سطح فرمی در خود AOS تمرکز کردیم.

برای بررسی پایداری NBTS، تیم از یک TFT دروازه پایین با ساختار کانال فعال دولایه شامل یک لایه AOS پایدار NBTS (IGZO) و یک لایه AOS ناپایدار NBTS (ITZO) استفاده کرد. آنها سپس TFT را مشخص کردند و نتایج را با شبیه‌سازی‌های دستگاهی که با استفاده از مدل‌های به دام انداختن بار و تغییر سطح فرمی انجام شد، مقایسه کردند.

آنها دریافتند که داده های تجربی با مدل تغییر سطح فرمی مطابقت دارد.

کیم گفت: زمانی که ما این اطلاعات را داشتیم، سوال بعدی این بود: “عامل اصلی کنترل کننده تحرک در AOS چیست؟”

ساخت TFT های AOS ناخالصی هایی از جمله مونوکسید کربن (CO) را به TFT وارد می کند، به خصوص در مورد ITZO. تیم دریافت که انتقال شارژ بین AOS ها و ناخالصی های ناخواسته اتفاق می افتد. در این مورد، ناخالصی‌های CO در حال اهدای الکترون به لایه فعال TFT بودند که باعث تغییر سطح فرمی و ناپایداری NBTS شد. او گفت: «مکانیسم این اهدای الکترون مبتنی بر CO به مکان حداقل باند هدایت بستگی دارد، به همین دلیل است که شما آن را در TFT های با تحرک بالا مانند ITZO می بینید اما در IGZO نه.

محققان از این نتایج برای ایجاد یک TFT ITZO بدون ناخالصی CO با پردازش TFT در دمای 400 درجه سانتیگراد استفاده کردند و دریافتند که NBTS پایدار است. فناوری‌های بینایی فوق‌العاده به TFT‌هایی با تحرک الکترون بالاتر از 40 سانتی‌متر مربع (در مقابل)-1 نیاز دارند. کیم گفت: با حذف ناخالصی های CO، ما توانستیم یک ITZO TFT با تحرک 70 سانتی متر مربع (در مقابل) -1 بسازیم.

با این حال، ناخالصی های CO به تنهایی باعث بی ثباتی نمی شوند. هر گونه ناخالصی که باعث انتقال شارژ با AOS ها شود می تواند باعث ناپایداری گیت بایاس شود. برای دستیابی به TFT های اکسیدی با تحرک بالا، ما به کمک های طرف صنعتی نیاز داریم تا همه منشاهای احتمالی ناخالصی ها را روشن کنیم.

وی می‌گوید: نتایج می‌تواند راه را برای ساخت سایر AOS TFT‌های مشابه برای استفاده در فناوری‌های نمایشگر و همچنین دستگاه‌های ورودی/خروجی تراشه، حسگرهای تصویر و سیستم‌های قدرت هموار کند.