Perkembangan Tokyo Tech: TFT Indium-Tin-Zinc-Oksida Stabil, Mobilitas Tinggi Mendorong Layar Generasi Depan
Trade-off antara mobilitas pembawa dan stabilitas dalam thin film transistor (TFT) berbasis oksida amorfa akhirnya teratasi oleh peneliti dari Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) dalam TFT indium tin zinc oxide yang difabrikasi. Ini dapat membuka jalan untuk desain teknologi layar yang lebih murah dari teknologi berbasis silicon saat ini.
Oksida amorfa (AOS) adalah opsi yang menjanjikan untuk teknologi layar generasi depan karena biaya rendah dan mobilitas elektron (pembawa muatan) yang tinggi. Mobilitas tinggi, khususnya, penting untuk gambar kecepatan tinggi. Namun, AOS juga memiliki kelemahan yang jelas yang menghambat komersialisasinya: trade-off mobilitas/stabilitas.
Salah satu tes inti stabilitas dalam TFT adalah tes stabilitas "negative-bias temperature stress" (NBTS). Dua AOS TFT yang menarik adalah indium gallium zinc oxide (IGZO) dan indium tin zinc oxide (ITZO). TFT IGZO memiliki stabilitas NBTS tinggi tetapi mobilitas buruk sementara TFT ITZO memiliki karakteristik yang sebaliknya. Keberadaan trade-off ini well-known, tetapi hingga saat ini belum ada pemahaman mengapa itu terjadi.
Dalam studi terbaru yang diterbitkan di Nature Electronics, tim ilmuwan dari Jepang kini telah melaporkan solusi untuk trade-off ini. "Dalam studi kami, kami fokus pada stabilitas NBTS yang secara konvensional dijelaskan menggunakan 'charge trapping.' Ini menggambarkan kehilangan muatan terakumulasi ke substrat di bawahnya. Namun, kami ragu jika ini dapat menjelaskan perbedaan yang kita lihat antara TFT IGZO dan ITZO, jadi alih-alih kami fokus pada kemungkinan perubahan densitas pembawa, atau perpindahan level Fermi, dalam AOS itu sendiri," kata Asisten Profesor Junghwan Kim dari Tokyo Tech.
Untuk menyelidiki stabilitas NBTS, tim menggunakan "bottom-gate TFT dengan struktur saluran aktif berlapis" yang terdiri dari lapisan AOS stabil NBTS (IGZO) dan lapisan AOS tidak stabil NBTS (ITZO). Kemudian mereka mengkarakterisasi TFT dan membandingkan hasilnya dengan simulasi perangkat yang dilakukan menggunakan model charge-trapping dan perpindahan level Fermi.
Mereka menemukan bahwa data eksperimen setuju dengan model perpindahan level Fermi. "Setelah kita memiliki informasi ini, pertanyaan selanjutnya adalah, 'Apa faktor utama yang mengontrol mobilitas dalam AOSs?'" kata Profesor Kim.
Pembuatan TFT AOST memperkenalkan impuritas, termasuk karbon monoksida (CO), ke dalam TFT, terutama dalam kasus ITZO. Tim menemukan bahwa transfer muatan sedang terjadi antara AOS dan impuritas yang tidak disengajakan. Dalam kasus ini impuritas CO mendonasikan elektron ke lapisan aktif TFT, yang menyebabkan perpindahan level Fermi dan ketidakstabilan NBTS. "Mekanisme donasi elektron berbasis CO ini tergantung pada lokasi minimum conduction band, itulah mengapa Anda melihatnya dalam TFT mobilitas tinggi seperti ITZO tetapi tidak dalam IGZO," kata Kim.
Bekasi dengan pengetahuan ini, peneliti mengembangkan TFT ITZO tanpa impuritas CO dengan memproses TFT pada 400 °C dan menemukan bahwa ia stabil NBTS. "Teknologi super-high vision membutuhkan TFT dengan mobilitas elektron di atas 40 cm2 (Vs)-1. Dengan menghilangkan impuritas CO, kami dapat membuat TFT ITZO dengan mobilitas setinggi 70 cm2 (Vs)-1," kata Kim.
Namun, impuritas CO sendirian tidak menyebabkan ketidakstabilan. Menurut Kim, "Setiap impuritas yang menginduksi transfer muatan dengan AOS dapat menyebabkan ketidakstabilan gate-bias. Untuk mencapai TFT oksida mobilitas tinggi, kami perlu kontribusi dari sisi industri untuk mengklarifikasi semua kemungkinan asal impuritas."
Hasil ini dapat membuka jalan untuk pembuatan TFT AOS serupa lainnya untuk digunakan dalam teknologi layar, serta perangkat input/output chip, sensor citra, dan sistem daya.
