Science X
2020_283_09
V zadnjih nekaj letih so se široko uporabljali kovinsko-oksidni tankoslojni tranzistorji (TFT), ki so narejeni tako, da na nosilno podlago nanesejo tanke folije aktivnega polprevodnega materiala na osnovi kovinskega oksida, zlasti na zaslonih z organskimi svetlečimi diodami
Večina komercialno dostopnih naprav, ki vsebujejo te tranzistorje, se trenutno zanaša na kovinske okside, pridobljene z uporabo tehnik fizičnega nanašanja hlapov.
Nedavne študije kažejo, da bi za izdelavo TFT lahko našli tudi cenejši način, na primer z uporabo postopkov, ki temeljijo na raztopinah, vendar so imeli doslej s temi procesi izdelani tranzistorji zelo nizko mobilnost nosilcev in nezadovoljivo operativno stabilnost.
Raziskovalcem z univerze za znanost in tehnologijo King Abdullah (KAUST) v Savdski Arabiji, na univerzi v Oxfordu v Veliki Britaniji in številnim drugim svetovnim institucijam pa je pred kratkim uspelo izdelati oksidne tranzistorje z visoko mobilnostjo elektronov in veliko operativno stabilnostjo z uporabo metode večfaznega nanašanja raztopine. V svoji študiji, predstavljeni v Nature Electronics, so uporabili večplastne kanale, ki so jih ustvarili z raztopinami iz ultra tankih plasti indijevega oksida, nanodelcev cinkovega oksida, polistirena, obdelanega z ozonom in kompaktnega cinkovega oksida.
“Močno si prizadevamo za rešitev dolgoletnih težav, s katerim se že vse od svoje iznajdbe spopadajo kovinsko-oksidni polprevodniški tankoslojni tranzistorji (TFT): operativna stabilnost,” je za TechXplore povedal Yen-Hung Lin, eden od vodilnih raziskovalcev, ki so opravili to študijo. “Ta težava izvira iz same lastnosti materiala – množice nestehiometričnih napak, ki vplivajo na prevodnost kovinsko-oksidnih polprevodnikov. Vendar te napake povzročajo pri dolgotrajnem neprekinjenem delovanju nestabilnost v delovanju naprave.”
V seriji predhodnih raziskav je ista skupina raziskovalcev izdelala večplastne oksidno-polprevodniške TFT, ki so se ob uporabi različnih raztopin izkazali izjemno dobro. Ustvarili so tudi večplastno arhitekturo, ki v bistvu posnema običajne tranzistorje z visoko elektronsko mobilnostjo (HEMT) tako, da ustvari “energijsko lestev.”
V tej večplastni arhitekturi so elektroni z visoko mobilnostjo omejeni z indijevim in cinkovim oksidom, kar ustvarja atomsko ostre z raztopinama obdelane oksidno-oksidne heterovmesnike. V svojem nedavnem članku raziskovalci tudi dokazujejo, da lahko dodajanje nekaj nanometrov debelega sloja polistirena tej strukturi, obdelanega z UV-ozonom, učinkovito pasivira pomanjkljivosti na heterovmesnikih oksid-oksid, ki so bili vzrok za slabše delovanje v preteklosti razvitih večplastnih TFT-jev.
“V sloj polistirena smo vgradili tudi nanodelce cinkovega oksida ali aluminij s slojem nanodelcev cinkovega oksida, da bi s tem še izboljšali delovanje naprave in operativno stabilnost tranzistorja,” je pojasnil Lin.
Ta pristop k izdelavi oksidnih TFT tranzistorjev, ki sta ga predstavila dr. Lin, prof. Thomas Anthopoulos in njuni sodelavci, je hkrati preprost in učinkovit. Ena izmed njegovih ključnih prednosti je, da ta nova tehnologija temelji na poceni materialih, ki jih je mogoče obdelati z raztopino, vključno z indijevim nitratom, prahom cinkovega oksida, z nanodelci cinkovega oksida in nanodelci cinkovega oksida, doniranimi v aluminij.
TFT-ji so lahko izdelani tudi na fleksibilnih podlagah, kot so polimeri ali papir, saj so naprave izdelane pri 200 stopinjah C. Raziskovalci so ugotovili, da imajo zaradi tega tranzistorji najvišjo obratovalno stabilnost, o kateri so kdajkoli doslej poročali v literaturi in to v enem izmed najtežjih testnih preizkušenj, v 24-urnem neprekinjenem delovanju z visoko gostoto električnega toka.
“Odkrili smo učinkovit način za zagotavljanje nizkotemperaturnega procesa za izdelavo visokozmogljivega tankoslojnega tranzistorja z brezhibno stabilnostjo delovanja in s kombiniranjem organskih materialov, ki so znani in pogosto uporabljeni materiali za izdelavo prilagodljive elektronike in oksidnih polprevodnikov,” Je rekel Lin. “Indij-galijev cinkov oksid (IGZO), ki je trenutno glavni material za tankoslojne tranzistorje v postamorfni-silicijevi generaciji, hitro nadomešča amorfni silicij kot glavni material za globalno industrijo zaslonov, čeprav proces običajno zahteva bodisi vakuumski postopek ali visoko temperaturo.”
V prihodnosti bi lahko novi hibridni organski kovinsko-oksidni tranzistorji, ki so jih predstavili Lin in njegovi sodelavci, močno pripomogli k razvoju prilagodljive, upogljive elektronike. Pravzaprav je oksidne polprevodnike v primerjavi z drugimi materiali, ki jih je mogoče izdelati z raztopinami, lažje izdelati in pogosto lahko dosežemo boljše električne zmogljivosti kot z drugimi konkurenčnimi tehnologijami. Oksidni polprevodniki so na primer enostavnejši za izdelavo in delujejo boljše kot dvodimenzionalni materiali, obdelani z raztopino, zaradi česar so primernejši za večino manj zahtevnih aplikacij.
“V prihodnosti načrtujemo razširitev uporabe večplastnih polprevodnih kanalov z organskim oksidom tudi v drugih elektronskih in optoelektronskih napravah (na primer pri radiofrekvenčnih diodah in fotodetektorjih) prav zaradi njihove visoke zmogljivosti in obratovalne stabilnosti,” je dejal Lin. “Načrtujemo tudi izdelavo tranzistorjev in integriranih vezij z uporabo drugih, po velikosti prilagodljivih visokoprepustnih tehnik izdelave (na primer tiskanje ali brizganje), ki bi jih med drugim lahko uporabili v številnih na novo nastajajočih tehnologijah, kot so fleksibilni prikazovalniki, biokemični senzorji in podobni.”
Povzeto po: https://techxplore.com/news/2020-01-organic-metal-oxide-transistors-high-stability.html
Avtor: Ingrid Fadelli , Tech Xplore
