Stiller ind på morgendagens LCD-skærme:Udforsk den nye IGZO-11-halvleder

I 1985, Noboru Kimizuka fra det nationale institut for forskning i uorganiske materialer, Japan havde banebrydende ideen om polykrystallinsk indium-gallium-zinkoxid (IGZO) keramik, med den generelle kemiske formel (InGaO ₃ )m(ZnO)n (m, n =naturligt tal; herefter benævnt IGZO-mn). Lidt ville han have troet, at dens nysgerrige elektriske egenskaber ville bringe elektronikindustrien til at licensere tyndfilmstransistorer (TFT'er) fremstillet af disse metaloxider til forskellige enheder, inklusive berørbare skærme. Imidlertid, dette kom ikke nemt. Selv i dag, mange af egenskaberne ved rene IGZO-krystaller forbliver ukendte på grund af deres vanskelige ekstraktionsprocedure. Hvad gør dem så fristende?

Når du kaster lys på metaller, de frit ledende elektroner resonerer eller vibrerer med eksternt lys (elektromagnetiske bølger). Dermed, lysbølgen er afskærmet, og som et resultat, lys overføres ikke, men reflekteres. Dette er grunden til, at metaller generelt ikke er gennemsigtige på trods af at de er gode reflektorer og ledere. I modsætning, halvledere med et stort båndgab, såsom IGZO, kan absorbere og transmittere lys selv i det synlige lysområde. Generelt, det store båndgab betyder, at disse typer materialer er isolatorer. Injektion af bærere, ved hjælp af iltdefekter, ind i et halvledermateriale med et stort båndgab kan give et materiale, der er både transparent og ledende.

Dermed, at være både transparente og ledende gør disse halvledere velegnede til brug i optoelektroniske enheder, meget som den du læser dette på! Desuden, IGZO-baserede transistorer har yderligere fordele såsom høj elektronmobilitet, god ensartethed over et stort område, og lav behandlingstemperatur, som gør det muligt at opnå enestående energieffektiv høj opløsning. Inden for denne IGZO-1n familie, polykrystallinsk IGZO-11 (dvs. InGaZnO ₄ ) udviser den højeste ledningsevne og det største optiske båndgab. Ud over, computere af Neumann-typen, eller simpelthen digitale computere, kræver "on-off tilstand" elektriske kredsløb som de grundlæggende byggesten, med den ideelle "slukket" tilstand svarende til en "nul" strøm. IGZO-11 udmærker sig også på denne front, da den off-state strømværdi for den er ekstremt lille, hvilket indebærer, at energitabet kan minimeres.

Imidlertid, tilstrækkeligt store enkeltkrystaller af IGZO-11, der kunne bruges til at måle deres fysiske egenskaber, er endnu ikke opnået. Derfor, dens præcise iboende egenskaber er uudforskede. Motiveret af dette og det faktum, at et multikomponentoxid med en lagdelt struktur kunne udvise anisotropisk ledning, et team af forskere, hovedsageligt fra Tokyo University of Science, ledet af prof Miyakawa, har udviklet en ny teknik til at dyrke enkeltkrystaller af typen.

Den primære udfordring i syntesen af ​​flerkomponent-lagstrukturen er den tilbagevendende defektdannelse under krystalvækst. Desuden, de fysiske egenskaber af materialet var ukendte, hvilket betød, at ruten til isolering af krystallen måtte omhyggeligt kridtes ud. Stillet over for det faktum, at IGZO-11 også kan være et inkongruent materiale under atmosfærisk tryk (dvs. den krystallinske faste fase nedbrydes i smelteprocessen til en anden krystalfase, forskellig fra den originale krystal, og en flydende fase), forskerholdet valgte optisk flydende zone (OFZ) til at bygge krystallen. Ved at øge gastrykket, det lykkedes teamet at undertrykke fordampning og fordampning, og at dyrke en god enkelt krystal fra væskefasen.

Dermed, OFZ muliggjorde væksten af ​​højkvalitets oxidkrystaller uden behov for en digel eller en beholder, hvilket giver bedre kontrol over temperaturen og trykket, som det flydende materiale udsættes for. Derudover brugen af ​​Zn-rig foderstang i syntesen gjorde det muligt for forskerne at kontrollere niveauet af ZnO, der ellers ville være fordampet, gør syntesen forgæves.

Efter at have lykkes med syntesen af ​​krystallen, forskerne undersøgte dets fysiske egenskaber. De observerede, at den begyndende krystal så ud til at være blålig i farven. Ved udglødning eller opvarmning og derefter langsom afkøling i fri atmosfære og yderligere ilt, krystallen blev gennemsigtig. Frie bærere produceret af ilt ledige pladser i krystaller absorberer rødt lys og udsender blåt lys; dermed, forskerne associerede farveændringen med, at denne ilt fyldte de ledige pladser, da krystallen undergik udglødning.

For at fuldende fortællingen, forskerne målte derefter krystallens elektriske ledningsevne, mobilitet, og bærertæthed, og deres temperaturafhængighed. De bemærkede, at alle elektriske egenskaber efter udglødning viste et fald. Bærertætheden og ledningsevnen kunne kontrolleres inden for området 10 ¹⁷ til 10 ²⁰ cm ^-3 og 2000-1 S cm ^-1 ved stuetemperatur ved efterudglødning. De rapporterede også en stigning i mobiliteten ved stigning i bærertæthed, som tidligere blev bemærket i transportundersøgelser for nogle IGZO-1n tynde film. Dette tyder på, at den usædvanlige adfærd er en iboende karakteristik af IGZO-1n-familien.

Interessant nok, holdet bemærkede, at ledningsevnen langs c-aksen (akse vinkelret på hvert plan i den lagdelte struktur) er> 40 gange lavere end i ab-planet (lagets plan) i enkeltkrystallerne, og at anisotropien stiger med faldende bærertæthed. Som prof. Miyakawa forklarer, "Indium-indium afstand langs c-aksen er meget længere end langs ab-planet. Derfor, bølgefunktionens overlapning er mindre i c-akseretningen. "Fordi graden af ​​overlapning af bølgefunktionerne i elektroniske orbitaler styrer, hvor let elektroner kan bevæge sig, forskerne hævder, at dette kan være oprindelsen til den anisotropiske ledningsevne for IGZO-11 krystaller.

Tidligere, IGZO-familien er blevet brugt i flydende krystalskærme, herunder i smartphones og tablets og, faktisk, for nylig også i store OLED-fjernsyn. Den elektriske ledningsevne og gennemsigtighed af dette nye materiale får IGZO til at skille sig ud. Mens fremstilling af transistorer ud af IGZO-11, der kan anvendes direkte i LED'er, fortsat er et igangværende arbejde, denne fascinerende forskning markerer starten på mange flere opdagelser.

Så, kan du se, hvorfor IGZO-11 er vigtig, eller gennemskuer du det?