Tokyo Tech : percée avec TFTs indium-étain-zinc-oxide stables et à haute mobilité pour écrans de nouvelle génération

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

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

L'un des tests de base de la stabilité dans les TFT est le test de stabilité « contrainte de température sous polarisation négative » (NBTS). Deux TFT AOS d'intérêt sont l'oxyde d'indium-gallium-zinc (IGZO) et l'oxyde d'indium-étain-zinc (ITZO). Les TFT IGZO ont une haute stabilité NBTS 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, il n'y a pas eu de compréhension de pourquoi il se produit.

Dans une étude récente publiée dans Nature Electronics, une équipe de scientifiques du Japon a maintenant rapporté une solution à ce compromis. « Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur la stabilité NBTS qui est conventionnellement expliquée par 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, donc nous nous sommes concentrés sur la possibilité d'un changement de densité de porteurs, ou de décalage du niveau de Fermi, dans l'AOS lui-même », a déclaré le professeur adjoint Junghwan Kim de Tokyo Tech.

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

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

La fabrication des TFT AOS introduit des impuretés, y compris le monoxyde de carbone (CO), dans le TFT, surtout dans le cas ITZO. L'équipe a découvert qu'un transfert de charge se produisait entre les AOS et les impuretés non intentionnelles. Dans ce cas, les impuretés CO donnaient des électrons dans la couche active du TFT, ce qui causait le décalage du niveau de Fermi et l'instabilité NBTS. « Le mécanisme de ce don d'électrons basé sur le CO dépend de la localisation 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.

Armés de cette connaissance, les chercheurs ont développé un TFT ITZO sans impuretés CO en traitant le TFT à 400 °C et ont découvert qu'il était stable NBTS. « Les technologies de super-haute vision ont besoin de TFT avec une mobilité électronique supérieure à 40 cm²/(Vs). En éliminant les impuretés CO, nous avons pu fabriquer un TFT ITZO avec une mobilité aussi élevée que 70 cm²/(Vs) », a déclaré Kim.

Cependant, les impuretés CO seules ne causent pas l'instabilité. Selon Kim, « Toute impureté qui induit un transfert de charge avec les AOS peut causer une instabilité de polarisation de grille. Pour atteindre des TFT oxydes à haute mobilité, nous avons besoin de contributions du côté industriel pour clarifier toutes les origines possibles d'impuretés. »

Ces résultats pourraient ouvrir la voie à la fabrication d'autres TFT AOS similaires pour une utilisation dans les technologies d'affichage, ainsi que les dispositifs d'entrée/sortie de puces, les capteurs d'image et les systèmes d'alimentation.