Tecnologia Científica

Explorando fatores que impactam a sensibilidade de semicondutores de óxido amorfo a impurezas induzidas externamente
Uma classe emergente de semicondutores são os semicondutores de óxido amorfo (AOSs), que são semicondutores baseados em óxidos de metais pós-transição.
Por Ingrid Fadelli - 20/12/2021


Uma figura que explica como os níveis de energia diferem de acordo com a composição química e como isso se relaciona com a transferência de carga com as impurezas. Crédito: Shiah et al.

Nos últimos anos, os engenheiros eletrônicos têm tentado ampliar o leque de materiais semicondutores disponíveis para permitir o desenvolvimento de uma gama mais ampla de dispositivos. Uma classe emergente de semicondutores são os semicondutores de óxido amorfo (AOSs), que são semicondutores baseados em óxidos de metais pós-transição.

Esses semicondutores podem ter várias propriedades vantajosas, incluindo a capacidade de serem depositados em baixas temperaturas e em grandes superfícies, bem como uma alta flexibilidade e mobilidade de portadores. Essas vantagens os tornariam particularmente adequados para a criação de dispositivos de baixo custo e grandes áreas, como monitores de tela plana. No entanto, até o momento, esses materiais apresentam uma série de limitações que os impedem de substituir as tecnologias de silício policristalino existentes em grande escala.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio realizaram recentemente um estudo com o objetivo de examinar algumas dessas limitações mais de perto. Seu artigo, publicado na Nature Electronics , mostra que a sensibilidade dos AOSs a impurezas e defeitos introduzidos externamente é altamente dependente da localização da chamada banda de condução mínima (CBM).

"Em 2004, o primeiro semicondutor de óxido amorfo (AOS), IGZO, TFT foi demonstrado por nosso instituto, em um projeto liderado pelo Prof. Hosono", disse Jungwan Kim, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Phys.org. "Desde que entrei para o atual grupo em 2012, estudei principalmente a estrutura eletrônica, mecanismo de dopagem e defeitos de AOSs. Em 2017 , em um estudo sobre óxido de gálio amorfo (a-Ga 2 O x ), descobrimos que os níveis de energia e os as habilidades de dopagem relevantes dos AOSs diferem significativamente de acordo com sua composição química. "

Com base em suas descobertas anteriores, Kim e seus colegas concluíram que o número de doadores (por exemplo, defeitos de deficiência de oxigênio ou hidrogênio) em AOSs não afeta a densidade de portadores. Por exemplo, o filme a -Ga 2 O x possui a densidade de portador de apenas 10 15 cm -3 , embora contenha o mesmo número de hidrogênios que o InSnZnO amorfo (a-ITZO), que tem uma densidade de portador de 10 20 cm -3 . Essas observações inspiraram os pesquisadores a examinar a correlação entre a estrutura eletrônica dos AOSs e sua capacidade de dopagem.

"Nossas explorações acabaram levando à conquista descrita na Nature Electronics", explicou Kim. "Mais notavelmente, descobrimos que uma transferência de carga ocorre entre AOSs e impurezas não intencionais e a transferência de carga é fortemente governada pelos níveis de energia dos materiais."
 
Os pesquisadores descobriram que a mobilidade de elétrons dos AOSs pode ser ajustada alterando sua composição química. Em seus experimentos, Kim e seus colegas usaram espectroscopia de fotoemissão ultravioleta (UPS) para determinar os níveis de energia em um AOS, por exemplo, identificando os níveis mínimo da banda de condução (CBM) e máximo da banda de valência (VBM).

"Em geral, conforme o conteúdo de índio (In) ou estanho (Sn) aumenta, a mobilidade do elétron aumenta", explicou Kim. "A estabilidade de mobilidade pode, portanto, ser facilmente comparada investigando os diferentes sistemas de composição química."

Os experimentos recentes realizados por Kim e seus colegas mostraram que uma transferência de carga ocorre entre AOSs e impurezas introduzidas externamente não intencionais. Além disso, essa transferência de carga parece ser fortemente influenciada pelos níveis de energia dos materiais .

Normalmente, é raro e desaconselhável que as impurezas permaneçam nos materiais usados ​​para fabricar eletrônicos. No entanto, devido aos seus processos de baixa temperatura, que também são vantajosos, os AOSs são particularmente sensíveis às impurezas.

"Este aspecto dos AOSs os diferencia da eletrônica convencional baseada em Si", disse Kim.

"Eu sinto que estamos muito acostumados com a eletrônica convencional baseada em Si. Muito mais pontos de vista diferentes devem ser preparados para a eletrônica de baixa temperatura. Neste caso, a impureza descoberta foi impurezas relacionadas ao CO que doam elétrons para AOSs sob a polarização de porta negativa. condição de estresse. "

As impurezas relacionadas ao CO são um tipo de impureza que pode ser facilmente evitado e prevenido ao fabricar eletrônicos em grande escala. As descobertas recentes reunidas por esta equipe de pesquisadores sugerem, portanto, que obter transistores de película fina (TFTs) de melhor desempenho com base em AOSs pode ser possível ao usar equipamentos de fabricação avançados.

No entanto, a equipe suspeita que pode haver impurezas e defeitos adicionais que afetam a transferência de carga dos AOSs. Assim, eles planejam realizar mais estudos para examinar o impacto de diferentes tipos de impurezas nas propriedades e no desempenho desses materiais.

"Os processos de fabricação de óxido TFT, que tipos de impurezas são gerados e quantas dessas impurezas são incorporadas nos AOSs devem ser investigados exaustivamente", disse Kim. "Para mais aplicações, como circuitos lógicos, memória, eletrônica totalmente transparente, ainda existem muitas tarefas desafiadoras. Em nossos próximos estudos, vamos nos concentrar nos seguintes tópicos: origem do dopante em AOSs, limitação de mobilidade em AOSs, etc."

 

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