Membuat Transistor Stabil dan Mobilitas Tinggi untuk Teknologi Tampilan Generasi Berikutnya

Pertukaran antara mobilitas pembawa dan stabilitas dalam transistor film tipis berbasis semikonduktor oksida amorf (TFT) akhirnya diatasi oleh para peneliti dari Institut Teknologi Tokyo (Tokyo Tech) dalam TFT seng oksida timah indium buatan. Ini dapat membuka jalan bagi desain teknologi tampilan yang lebih murah daripada teknologi berbasis silikon saat ini.

Semikonduktor oksida amorf (AOS) adalah pilihan yang menjanjikan untuk teknologi tampilan generasi berikutnya karena biayanya yang rendah dan mobilitas elektron (pembawa muatan) yang tinggi. Mobilitas tinggi, khususnya, sangat penting untuk gambar berkecepatan tinggi. Namun, AOS juga memiliki kelemahan tersendiri yang menghambat komersialisasinya:pertukaran mobilitas/stabilitas.

Salah satu tes inti stabilitas di TFT adalah tes stabilitas "tekanan suhu bias negatif" (NBTS). Dua TFT AOS yang menarik adalah indium gallium zinc oxide (IGZO) dan indium tin zinc oxide (ITZO). TFT IGZO memiliki stabilitas NBTS yang tinggi tetapi mobilitas yang buruk sedangkan TFT ITZO memiliki karakteristik yang berlawanan. Keberadaan tradeoff ini sudah diketahui, tetapi sejauh ini belum ada pemahaman mengapa hal itu terjadi.

Dalam studi terbaru yang diterbitkan di Nature Electronics , tim ilmuwan dari Jepang kini telah melaporkan solusi untuk tradeoff ini. "Dalam penelitian kami, kami fokus pada stabilitas NBTS yang secara konvensional dijelaskan menggunakan 'perangkap muatan'. Ini menjelaskan hilangnya akumulasi muatan ke substrat yang mendasarinya. Namun, kami ragu apakah ini dapat menjelaskan perbedaan yang kami lihat antara TFT IGZO dan ITZO, jadi alih-alih kami berfokus pada kemungkinan perubahan kepadatan pembawa, atau pergeseran level Fermi, dalam AOS itu sendiri," kata Asisten Profesor Junghwan Kim dari Tokyo Tech.

Untuk menyelidiki stabilitas NBTS, tim menggunakan "TFT gerbang bawah dengan struktur saluran aktif bilayer" yang terdiri dari lapisan AOS (IGZO) stabil NBTS dan lapisan AOS (ITZO) tidak stabil NBTS. Mereka kemudian mengkarakterisasi TFT dan membandingkan hasilnya dengan simulasi perangkat yang dilakukan menggunakan model perangkap muatan dan model pergeseran tingkat Fermi.

Mereka menemukan bahwa data eksperimen setuju dengan model pergeseran tingkat Fermi. "Setelah kami mendapatkan informasi ini, pertanyaan berikutnya adalah, 'Apa faktor utama yang mengendalikan mobilitas di AOS?'" kata Profesor Kim.

Pembuatan TFT AOS memasukkan pengotor, termasuk karbon monoksida (CO), ke dalam TFT, terutama dalam kasus ITZO. Tim menemukan bahwa transfer muatan terjadi antara AOS dan pengotor yang tidak diinginkan. Dalam hal ini pengotor CO menyumbangkan elektron ke lapisan aktif TFT, yang menyebabkan pergeseran tingkat Fermi dan ketidakstabilan NBTS. "Mekanisme donasi elektron berbasis CO ini bergantung pada lokasi minimum pita konduksi, itulah sebabnya Anda melihatnya di TFT dengan mobilitas tinggi seperti ITZO tetapi tidak di IGZO," kata Kim.

Berbekal pengetahuan ini, para peneliti mengembangkan TFT ITZO tanpa pengotor CO dengan memperlakukan TFT pada 400 °C dan menemukan bahwa itu stabil NBTS. "Teknologi penglihatan super tinggi membutuhkan TFT dengan mobilitas elektron di atas 40 cm ² (Vs) ^-1 . Dengan menghilangkan pengotor CO, kami dapat membuat TFT ITZO dengan mobilitas setinggi 70 cm ² (Vs) ^-1 ," kata Kim.

Namun, pengotor CO saja tidak menyebabkan ketidakstabilan. Menurut Kim, "Setiap pengotor yang menginduksi transfer muatan dengan AOS dapat menyebabkan ketidakstabilan bias gerbang. Untuk mencapai TFT oksida mobilitas tinggi, kami memerlukan kontribusi dari sisi industri untuk mengklarifikasi semua kemungkinan asal pengotor."

Hasil ini dapat membuka jalan bagi pembuatan TFT AOS serupa lainnya untuk digunakan dalam teknologi tampilan, serta perangkat input/output chip, sensor gambar, dan sistem daya.