東京工業大学のブレークスルー：安定・高移動度In-Sn-Zn-O TFTが次世代ディスプレイを推進

アモルファス酸化物半導体ベース薄膜トランジスタ（TFT）におけるキャリア移動度と安定性のトレードオフが、東京工業大学の研究者たちによって、作製されたインジウムスズ酸化物TFTでついに克服されました。これは現在のシリコンベース技術より安価なディスプレイ技術の設計への道を開く可能性があります。

アモルファス酸化物半導体（AOS）は、低コストと高い電子（キャリア）移動度により、次世代ディスプレイ技術の有望な選択肢です。特に高移動度は高速画像表示に不可欠です。しかしAOSには商業化を妨げる明確な欠点があります：移動度/安定性のトレードオフです。

TFTの安定性の核心テストの一つは「負バイアス温度ストレス」（NBTS）安定性テストです。注目される2つのAOS TFTは、インジウムガリウム亜鉛酸化物（IGZO）とインジウムスズ亜鉛酸化物（ITZO）です。IGZO TFTは高いNBTS安定性だが移動度が低く、ITZO TFTは逆の特性です。このトレードオフの存在はよく知られていますが、なぜ起こるのか理解されていませんでした。

『Nature Electronics』に掲載された最近の研究で、日本の科学者チームがこのトレードオフの解決策を報告しました。「我々の研究では、従来『電荷トラップ』で説明されるNBTS安定性に焦点を当てました。これは蓄積電荷が基板へ失われることを記述します。しかし、これがIGZOとITZO TFTの差を説明できるか疑問視し、代わりにAOS自体のキャリア密度変化、すなわちフェルミレベルシフトの可能性に焦点を当てました」と東京工業大学の助教ジュン・ファン・キム氏は述べています。

NBTS安定性を調べるため、チームは「二層活性チャネル構造を持つボトムゲートTFT」を用いました。これはNBTS安定なAOS（IGZO）層とNBTS不安定なAOS（ITZO）層で構成されます。その後、TFTを特性評価し、電荷トラップモデルとフェルミレベルシフトモデルを用いたデバイスシミュレーション結果と比較しました。

実験データがフェルミレベルシフトモデルと一致することがわかりました。「この情報を得た後、次の疑問は『AOSの移動度を制御する主要因は何か？』でした」とキム教授は語ります。

AOS TFTの製造過程で、一酸化炭素（CO）などの不純物が混入します。特にITZOの場合に顕著です。チームはAOSと意図しない不純物間で電荷移動が起き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、フェルミレベルシフトとNBTS不安定性を引き起こしていました。「このCOベースの電子供与メカニズムは伝導帯底の位置に依存するため、ITZOのような高移動度TFTでは見られるがIGZOでは見られません」とキム氏は説明します。

この知識を得て、研究者たちは400℃で熱処理しCO不純物を除去したITZO TFTを開発し、NBTS安定であることを確認しました。「超高精細技術には電子移動度40cm²/(V·s)以上のTFTが必要です。CO不純物を除去することで、移動度70cm²/(V·s)のITZO TFTを作製できました」とキム氏は述べています。

しかし、CO不純物だけが不安定性の原因ではありません。キム氏によると、「AOSと電荷移動を起こすあらゆる不純物がゲートバイアス不安定性を引き起こす可能性があります。高移動度酸化物TFTを実現するには、産業界の貢献により不純物の全ての可能な起源を明らかにする必要があります。」

これらの結果は、ディスプレイ技術用の他の類似AOS TFT、チップ入出力デバイス、イメージセンサー、電力システムの作製への道を開く可能性があります。