次世代ディスプレイ技術のための安定した高移動度トランジスタの製造

アモルファス酸化物半導体ベースの薄膜トランジスタ（TFT）のキャリア移動度と安定性の間のトレードオフは、東京工業大学（東京工業大学）の研究者によって、製造されたインジウムスズ酸化亜鉛TFTで最終的に克服されました。これにより、現在のシリコンベースのテクノロジーよりも安価なディスプレイテクノロジーの設計への道が開かれる可能性があります。

アモルファス酸化物半導体（AOS）は、低コストで電子（電荷キャリア）移動度が高いため、次世代のディスプレイ技術にとって有望なオプションです。特に高速画像には高い機動性が欠かせません。しかし、AOSには、商用化を妨げる明確な欠点もあります。それは、モビリティと安定性のトレードオフです。

TFTの安定性のコアテストの1つは、「負バイアス温度ストレス」（NBTS）安定性テストです。対象となる2つのAOSTFTは、インジウムガリウム酸化亜鉛（IGZO）とインジウムスズ酸化亜鉛（ITZO）です。 IGZO TFTはNBTSの安定性は高いが機動性が低いのに対し、ITZOTFTは逆の特性を持っています。このトレードオフの存在はよく知られていますが、これまでのところ、なぜそれが発生するのかについての理解はありません。

Nature Electronicsに掲載された最近の研究 、日本の科学者のチームは現在、このトレードオフの解決策を報告しています。 「私たちの研究では、従来「電荷トラッピング」を使用して説明されていたNBTSの安定性に焦点を当てました。これは、下にある基板への蓄積電荷の損失を表していますが、これがIGZOとITZOのTFTの違いを説明できるかどうか疑問でした。そのため、代わりに、キャリア密度の変化、つまりフェルミ準位シフトの可能性に焦点を当てました。 AOS自体」と語った。東京工業大学のキム・ジュンファン助教。

NBTSの安定性を調査するために、チームはNBTS安定AOS（IGZO）層とNBTS不安定AOS（ITZO）層で構成される「2層アクティブチャネル構造のボトムゲートTFT」を使用しました。次に、TFTの特性を明らかにし、その結果を、電荷トラッピングおよびフェルミ準位シフトモデルを使用して実行されたデバイスシミュレーションと比較しました。

彼らは、実験データがフェルミ準位シフトモデルと一致することを発見しました。 「この情報を入手したら、次の質問は「AOSのモビリティを制御する主な要因は何ですか？」でした」とキム教授は述べています。

AOS TFTの製造では、特にITZOの場合、一酸化炭素（CO）などの不純物がTFTに導入されます。チームは、AOSと意図しない不純物の間で電荷移動が発生していることを発見しました。この場合、CO不純物がTFTの活性層に電子を供与していたため、フェルミ準位のシフトとNBTSの不安定性が発生しました。 「このCOベースの電子供与のメカニズムは、伝導帯の最小値の位置に依存します。そのため、ITZOなどの高移動度TFTで見られますが、IGZOでは見られません」とKim氏は述べています。

この知識を武器に、研究者たちは、TFTを400°Cで処理することにより、CO不純物のないITZO TFTを開発し、NBTSで安定していることを発見しました。 「超高ビジョン技術には、40cmを超える電子移動度を備えたTFTが必要です ² （対） ^-1 。 CO不純物を除去することにより、70 cm ² の移動度を備えたITZOTFTを製造することができました。 （対） ^-1 」とキムは言った。

ただし、CO不純物だけでは不安定性は発生しません。キム氏によると、「AOSで電荷移動を引き起こす不純物は、ゲートバイアスを不安定にする可能性があります。高移動度の酸化物TFTを実現するには、不純物の考えられるすべての原因を明らかにするために、産業側からの貢献が必要です。」

これらの結果は、ディスプレイ技術、チップ入出力デバイス、イメージセンサー、電源システムで使用する他の同様のAOSTFTの製造への道を開く可能性があります。