Credit:Tokyo Institute of Tech基于氧化物半导体的薄膜晶体管(TFTs)中载流子迁移率和稳定性之间的权衡最终被东京理工学院(Tokyo Tech)的研究人员在一个巧妙制造的铟锡锌氧化物TFT中克服了。这可能为设计比当前硅基技术更便宜的显示技术铺平道路。非晶氧化物半导体(AOS)由于其低成本和高电子(电荷载流子)迁移率，是下一代显示技术的一个有前途的选择。尤其是高移动性，对于高速图像至关重要。但是AOS也有一个阻碍其商业化的明显缺点——移动性和稳定性的权衡。
薄膜晶体管稳定性的核心测试之一是负偏压温度应力(NBTS)稳定性测试。两个感兴趣的AOS薄膜晶体管是铟镓锌氧化物(IGZO)和铟锡锌氧化物(ITZO)。IGZO薄膜晶体管具有高的NBTS稳定性，但迁移率较差，而ITZO薄膜晶体管具有相反的特性。这种权衡的存在是众所周知的，但是到目前为止还没有理解它为什么会发生。
在最近发表在《自然电子》杂志上的一项研究中，一组来自日本的科学家报告了一种解决这种权衡的方法。“在我们的研究中，我们专注于NBTS稳定性，这通常用‘电荷俘获’来解释。”这描述了累积电荷损失到下面的衬底中。然而，我们怀疑这能否解释我们在IGZO和ITZO薄膜晶体管中看到的差异，所以我们转而关注AOS本身载流子密度变化或费米能级转移的可能性，”领导这项研究的东京理工大学助理教授金俊焕解释道。
为了研究NBTS稳定性，该团队使用了“具有双层有源沟道结构的底栅薄膜晶体管”，包括NBTS稳定的AOS (IGZO)层和NBTS不稳定的AOS (ITZO)层。然后，他们对薄膜晶体管进行了表征，并将结果与使用电荷俘获和费米能级转移模型进行的器件模拟进行了比较。
他们发现实验数据与费米能级转移模型一致。一旦我们有了这些信息，下一个问题是，“控制AOS移动性的主要因素是什么？”金教授说。
AOS薄膜晶体管的制造将包括一氧化碳在内的杂质引入薄膜晶体管，尤其是在ITZO的情况下。研究小组发现，电荷转移发生在AOS和非预期的杂质之间。在这种情况下，一氧化碳向薄膜晶体管的有源层提供电子，导致费米能级移动和NBTS不稳定。“这种基于一氧化碳的电子捐赠机制取决于传导离子带最小值的位置，这就是为什么你在ITZO等高迁移率薄膜晶体管中看到它，但在IGZO看不到它，”金教授阐述道。
有了这些知识，研究人员通过在400℃下处理薄膜晶体管，开发了一种不含一氧化碳杂质的ITZO薄膜晶体管，并发现它是NBTS稳定的。“超高视觉技术需要电子迁移率高于40 cm2 (Vs)-1的薄膜晶体管。通过消除一氧化碳杂质，我们能够制造出迁移率高达70 cm2 (Vs)-1的ITZO薄膜晶体管，”一位激动的金教授评论道。
然而，一氧化碳杂质本身不会引起不稳定。“任何引起AOS电荷转移的杂质都会引起栅极偏置不稳定。为了实现高迁移率氧化物薄膜晶体管，我们需要工业方面的贡献，以澄清杂质的所有可能来源，”金教授断言。
这一结果可能为制造用于显示技术的其他类似AOS薄膜晶体管以及芯片输入/输出设备、图像传感器和电力系统铺平道路。此外，鉴于它们的低成本，它们甚至可能取代更昂贵的硅基技术。
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