Fabrication de transistors stables à haute mobilité pour les technologies d'affichage de nouvelle génération

Le compromis entre la mobilité des porteurs et la stabilité dans les transistors à couches minces (TFT) à base de semi-conducteurs à base d'oxyde amorphe a finalement été surmonté par des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) dans un TFT en oxyde de zinc et d'indium fabriqué. Cela pourrait ouvrir la voie à la conception de technologies d'affichage moins chères que les technologies actuelles à base de silicium.

Les semi-conducteurs à oxyde amorphe (AOS) sont une option prometteuse pour la prochaine génération de technologies d'affichage en raison de leur faible coût et de leur mobilité élevée des électrons (porteurs de charge). La grande mobilité, en particulier, est essentielle pour les images à grande vitesse. Mais les AOS ont également un inconvénient distinct qui entrave leur commercialisation :le compromis mobilité/stabilité.

L'un des principaux tests de stabilité des TFT est le test de stabilité de la «contrainte de température à polarisation négative» (NBTS). Deux AOS TFT d'intérêt sont l'oxyde de zinc indium gallium (IGZO) et l'oxyde de zinc indium étain (ITZO). Les TFT IGZO ont une stabilité NBTS élevée mais une faible mobilité tandis que les TFT ITZO ont les caractéristiques opposées. L'existence de ce compromis est bien connue, mais jusqu'à présent, personne n'a compris pourquoi il se produit.

Dans une étude récente publiée dans Nature Electronics , une équipe de scientifiques japonais vient de proposer une solution à ce compromis. "Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur la stabilité NBTS qui est classiquement expliquée en utilisant le" piégeage de charge ". Cela décrit la perte de charge accumulée dans le substrat sous-jacent.Cependant, nous doutions que cela puisse expliquer les différences que nous voyons entre les TFT IGZO et ITZO, nous nous sommes donc plutôt concentrés sur la possibilité d'un changement de densité de porteurs, ou changement de niveau de Fermi, dans l'AOS lui-même », a déclaré le professeur adjoint Junghwan Kim de Tokyo Tech.

Pour étudier la stabilité du NBTS, l'équipe a utilisé un "TFT à grille inférieure avec une structure de canal actif bicouche" comprenant une couche AOS stable au NBTS (IGZO) et une couche AOS instable au NBTS (ITZO). Ils ont ensuite caractérisé le TFT et comparé les résultats avec des simulations de dispositifs réalisées à l'aide des modèles de piégeage de charge et de décalage de niveau de Fermi.

Ils ont constaté que les données expérimentales concordaient avec le modèle de décalage au niveau de Fermi. "Une fois que nous avons eu cette information, la question suivante était :'Quel est le principal facteur contrôlant la mobilité dans les AOS ?'", a déclaré le professeur Kim.

La fabrication des TFT AOS introduit des impuretés, notamment du monoxyde de carbone (CO), dans le TFT, en particulier dans le cas ITZO. L'équipe a découvert qu'un transfert de charge se produisait entre les AOS et les impuretés involontaires. Dans ce cas, les impuretés de CO donnaient des électrons dans la couche active du TFT, ce qui provoquait le décalage du niveau de Fermi et l'instabilité du NBTS. "Le mécanisme de ce don d'électrons à base de CO dépend de l'emplacement du minimum de la bande de conduction, c'est pourquoi vous le voyez dans les TFT à haute mobilité tels que ITZO mais pas dans IGZO", a déclaré Kim.

Forts de ces connaissances, les chercheurs ont développé un TFT ITZO sans impuretés de CO en traitant le TFT à 400 ° C et ont découvert qu'il était stable au NBTS. "Les technologies à très haute vision ont besoin de TFT avec une mobilité électronique supérieure à 40 cm ² (Vs) ^-1 . En éliminant les impuretés de CO, nous avons pu fabriquer un ITZO TFT avec une mobilité aussi élevée que 70 cm ² (Vs) ^-1 ", a déclaré Kim.

Cependant, les impuretés de CO seules ne provoquent pas d'instabilité. Selon Kim, "Toute impureté qui induit un transfert de charge avec les AOS peut provoquer une instabilité de polarisation de grille. Pour obtenir des TFT à oxyde à haute mobilité, nous avons besoin de contributions du côté industriel pour clarifier toutes les origines possibles des impuretés."

Ces résultats pourraient ouvrir la voie à la fabrication d'autres TFT AOS similaires à utiliser dans les technologies d'affichage, ainsi que des dispositifs d'entrée/sortie à puce, des capteurs d'image et des systèmes d'alimentation.