Exploration des facteurs affectant la sensibilité des semi-conducteurs à oxyde amorphe aux impuretés induites de l’extérieur

Ces dernières années, les ingénieurs électroniciens ont tenté d’élargir la gamme de matériaux semi-conducteurs disponibles, pour permettre le développement d’une grande variété de dispositifs. Une classe émergente de semi-conducteurs est celle des semi-conducteurs à oxyde amorphe (AOS), qui sont des semi-conducteurs à base d’oxydes métalliques post-transition.

Ces semi-conducteurs peuvent avoir de nombreuses propriétés utiles, notamment la capacité de précipiter à basse température et sur de grandes surfaces, ainsi qu’une grande flexibilité et mobilité des porteurs. Ces avantages les rendent particulièrement adaptés à la création d’appareils peu coûteux et de grande surface, tels que les écrans plats. Cependant, ce matériau présentait jusqu’à présent une série de limitations qui l’ont empêché de remplacer à grande échelle les technologies de silicium polycristallin existantes.

Des chercheurs du Tokyo Institute of Technology ont récemment mené une étude visant à examiner de plus près certaines de ces limites. Leur article a été publié en électronique naturelle, montre que la sensibilité des AOS aux impuretés et aux défauts introduits de l’extérieur dépend fortement de l’emplacement du minimum de bande de conduction (CBM).

En 2004, le premier semi-conducteur à oxyde amorphe (AOS), IGZO, TFT a été montré par notre institut, dans un projet dirigé par le professeur Hosono, a déclaré à Phys.org Jeonghwan Kim, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. Depuis que j’ai rejoint le groupe actuel en 2012, j’ai principalement étudié la structure électronique, le mécanisme de dopage et les défauts des AOS. en 2017, dans une étude de l’oxyde de gallium amorphe (a-Ga₂la_X), nous avons constaté que les niveaux d’énergie et les capacités d’activation associées de l’AOS varient considérablement en fonction de leur structure chimique.

Sur la base de leurs découvertes précédentes, Kim et ses collègues concluent que le nombre de donneurs (par exemple, défauts d’oxygène ou d’hydrogène) dans les AOS n’affecte pas la densité des porteurs. Par exemple, a-Ga₂la_X Le film a une densité vectorielle de seulement 10¹⁵ poison^-3, il contient même le même nombre d’hydrogène que l’InSnZnO amorphe (a-ITZO), qui a une densité de porteurs de 10²⁰ poison^-3. Ces observations ont incité les chercheurs à examiner plus avant la relation entre la structure électronique de l’AOS et sa capacité de dopage.

« Nos explorations ont finalement conduit à la percée de Nature Electronics », a expliqué Kim. « En particulier, nous avons constaté que le transfert de charge se produit entre les AOS et les impuretés involontaires et que le transfert de charge est fortement soumis aux niveaux d’énergie dans les matériaux. »

Les chercheurs ont découvert que la mobilité électronique des AOS peut être ajustée en modifiant leur composition chimique. Dans leurs expériences, Kim et ses collègues ont utilisé la spectroscopie de photoémission ultraviolette (UPS) pour déterminer les niveaux d’énergie de l’AOS, par exemple pour déterminer la bande de conduction minimale (CBM) et la bande de valence maximale (VBM).

« En général, à mesure que la teneur en indium (In) ou en étain (Sn) augmente, la mobilité des électrons augmente », a expliqué Kim. « La stabilité de la mobilité peut ainsi être facilement comparée en étudiant différents systèmes de composition chimique. »

Des expériences récentes de Kim et de ses collègues montrent que le transfert de charge se produit entre les impuretés involontaires et externes. De plus, ce transport de charge semble être fortement influencé par les matériaux niveaux d’énergie.

Habituellement, il est rare et indésirable que des impuretés restent dans les matériaux utilisés dans la fabrication de l’électronique. Cependant, en raison des processus à basse température, qui sont également bénéfiques, les AOS sont particulièrement sensibles aux impuretés.

« Cet aspect des AOS les distingue de l’électronique conventionnelle à base de silicium », a déclaré Kim.

« Je pense que nous connaissons très bien l’électronique traditionnelle à base de silicium. Des perspectives très différentes doivent être préparées pour l’électronique à basse température. Dans ce cas, il a été découvert impureté Ce sont des impuretés liées au monoxyde de carbone qui donnent des électrons à l’AOS dans des conditions de contrainte de polarisation de grille négative.

Les impuretés associées au monoxyde de carbone sont un type d’impureté qui peut être facilement évité et prévenu lorsque l’électronique est fabriquée à grande échelle. Les résultats récents recueillis par cette équipe de chercheurs indiquent de meilleures performances transistors à couche mince (TFT) basés sur les AOS peuvent être possibles lorsque des équipements de fabrication avancés sont utilisés.

Cependant, l’équipe soupçonne qu’il peut y avoir des impuretés et des défauts supplémentaires affectant Transfert responsable des AOS. Ainsi, ils prévoient de mener d’autres études pour examiner l’effet de différents types d’impuretés sur les propriétés et les performances de ces matériaux.

« Les processus de fabrication de l’oxyde TFT, les types d’impuretés générées et la quantité de ces impuretés incorporées dans les AOS doivent être étudiés en profondeur », a déclaré Kim. « Pour davantage d’applications telles que les circuits logiques, la mémoire et l’électronique entièrement transparente, il reste encore de nombreuses tâches difficiles. Dans nos prochaines études, nous nous concentrerons sur les sujets suivants : origine du dopant dans les AOS, mobilité limitée dans les AOS, etc. »

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