Исследователи из Корейского университета и Передового технологического института Samsung разработали новый тип тонкопленочного транзистора, который значительно быстрее своих предшественников — важный шаг на пути к ускорению отображения изображений на таких устройствах, как телевизоры и экраны смартфонов. Ученые сделали транзистор из оксинитрида цинка или ZnON, который затем обработали плазмой газообразным аргоном.
Большая часть исследований тонкопленочных материалов на основе оксида цинка сосредоточена на добавлении катионов металлов, таких как индий, галлием, гафнием, цирконием и лантанидом. При использовании в полупроводниках они демонстрируют значения подвижности — скорости, с которой электроны, находящиеся под действием электрического поля, проходят через материал, — от 5 до 20 см2 / вольтсекунду. В то время как экстремальная подвижность электронов была зарегистрирована в идеальных лабораторных условиях — хваленая подвижность графена составляет около 200 000 см2 / вольтсекунду — скорости тонкопленочных транзисторов в коммерческой электронике в основном находятся в диапазоне от однозначных до двузначных.«Для будущих электронных устройств подвижность материалов активных оксидных каналов должна быть увеличена до уровня, превышающего 100 сантиметров в квадрате на вольтсекунду», — сказал Санхун Чон, доцент кафедры прикладной физики и кафедры физики дисплеев и полупроводников Корейского университета. .Группа Джеона и их коллеги из группы аналитического инжиниринга в Samsung Advanced Institute of Technology создали транзистор ZnON с подвижностью электронов примерно в десять раз большей, чем их предыдущие тонкопленочные транзисторы.
На этой неделе они представляют свою работу в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.Активные оксидные полупроводники, такие как ZnON, обладают рядом преимуществ, таких как низкая стоимость производства и относительно низкая температура изготовления — ниже 300 ° C, что делает их пригодными для использования в дисплеях и упрощает их интеграцию. с множеством других неорганических и органических материалов.В качестве тонкой пленки оксинитрид цинка — стекловидный композит ZnO, ZnOxNx и Zn3N2 — демонстрирует чрезвычайно высокую скорость подвижности из-за его способности дезактивировать кислородные вакансии, которые являются дефектами на поверхностях оксидов переходных металлов, которые возникают из-за неизбежных дефектов связывания в создание соединения. Когда анион кислорода в ZnO замещается анионом азота, край валентной зоны или край полностью занятой энергетической зоны ZnON располагается над предыдущим местоположением нейтральной кислородной вакансии в ZnO, эффективно захоранивая вакансию ниже края валентной зоны. и предотвращение пробелов в проводимости.
Исследователи создали тонкие пленки оксинитрида цинка путем напыления смеси газов N2, O2 и аргона через вращающийся держатель на цинковую мишень. Чтобы контролировать содержание анионов в пленках, парциальное давление O2 в камере изменяли во время осаждения, регулируя его скорость потока, в то время как скорости азота и аргона поддерживались постоянными.
В результате получилась стекловидная композитная пленка толщиной примерно 50 нанометров, но относительно нестабильная из-за низкой реакционной способности азота с цинком по сравнению с атмосферным кислородом.Чтобы решить эту проблему, исследователи применили процесс аргоновой плазмы, при котором пленку бомбардируют высокоэнергетической плазменной формой благородного газа.
Это вызвало каскады атомных и ионных столкновений и диссипацию энергии внутри материала, которая переупорядочила связи между атомами цинка, кислорода и азота в химически однородную нанокристаллическую структуру в аморфной матрице. Это привело к повышению устойчивости материала к радиационным и электрическим нагрузкам.Кроме того, при сравнении с необработанной пленкой после того, как обе они подвергались воздействию атмосферных условий в течение 30 дней, исследователи обнаружили, что обработанная пленка не показала никаких доказательств потери азота из-за диффузии.При проведении испытаний на проводимость было обнаружено, что подвижность каналов или скорость полупроводника нанокристаллического тонкопленочного транзистора составила 138 см2 / vs — на порядок выше, чем у предыдущей пленки из оксида индия-галлия-цинка.
«Мы считаем, что оксинитрид цинка, полученный с помощью реактивного распыления и плазменных процессов, станет еще одним значительным прорывом в области тонкопленочной электроники», — сказал Чон.Будущая работа Джеона и его коллег включает в себя включение катионов других металлов в их оксинитриды металлов, а также изучение воздействия на пленки плазменного и вакуумного УФ-облучения.