Разработаны сверхбыстрые тонкопленочные транзисторы для электронных устройств будущего
Чрезвычайно тонкие прозрачные тонкопленочные транзисторы – один из ключевых компонентов жидкокристаллической TFT матрицы ЖК-дисплея. Краеугольным камнем в улучшении качественных показателей матрицы остается скорость переключения транзистора, над повышением которой работают в ведущих лабораториях мира. Корейским ученым удалось создать тонкопленочный транзистор электронных устройств будущего, срабатывающий на порядок быстрее существующих.
Тонкопленочные транзисторы – не что иное как обычные полевые транзисторы, металлические контакты и полупроводниковые каналы проводимости которых представлены тонкими пленками, толщиной в 0,01 … 0, 01 мк. Будучи нанесенными на поверхность стекла или прозрачного полимерного материала, они располагаются максимально близко к подконтрольным им ячейкам-пикселям, что позволяет обеспечить стабильное контрастное и насыщенное изображение, отсутствие “хвостов” у движущихся объектов, достаточную для комфортной работы и отдыха скорость реакции матрицы.
Подвижность перемещения носителей заряда в полупроводнике равна скорости их перемещения, измеренной в сантиметрах в секунду, где на каждый сантиметр длины прилагается один вольт напряжения. Чем меньше электрическое сопротивление материала, тем быстрее способны перемещаться заряды, а значит, тем быстрее будут переключаться единичные тонкопленочные транзисторы, из которых он состоит.
Совместные исследования, проведенные специалистами компании Samsung национального университета Кореи (Korea University) и Института передовых технологий компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology) предложили новый тип тонкопленочного транзистора с быстродействием на порядок превышающим этот показатель у существующих аналогов. Запуск такого транзистора в серийное производство позволит значительно увеличить быстродействие ЖК дисплеев телевизоров, смартфонов и планшетных компьютеров с активной матрицей TFT(Thin Film Transistor).
Чтобы получить транзистор с подобными техническими характеристиками ученые использовали плазму из ионов инертного газа аргона. В качестве основного компонента, используемого для создания транзистора выступил оксинитрид цинка (ZnON), полученный методом магнетронного распыления.
Соединения на базе оксида цинка, как основы при создании тонкопленочных структур с высокой скоростью перемещения зарядов уже давно в зоне особого внимания ученых. Вместе с тем, основной акцент в ходе проводимых экспериментов был размещен на допировании (введении небольшого количества примесей) материала-основы катионами различных металлов – индия, галлия, гафния, циркония и лантаноидов.
Предел скорости перемещения дырок и электронов в электрическом поле полупроводника сегодня достигает 5 до 20 см2/вольт*сек, в то время как ” … Для обеспечения высокой производительности и экономичности электронных устройств будущего требуется обеспечить подвижность носителей электрического заряда свыше 100 см2/вольт*сек …” – считает профессор Сэнгун Чон (Sanghun Jeon) из национального университета Кореи. "Подвижность носителей заряда в созданных нами цинковых транзисторах, как минимум, в десять раз превышает подвижность носителей в обычных тонкопленочных транзисторах".
Описанный результат был получен, главным образом благодаря включению в технологический цикл этапа осаждения материала из смеси аргона, кислорода (О2) и смеси азота (N2). Попеременное воздействие на цинковую “подложку” перечисленными газами при постоянном давлении азота и аргона и тщательно регулируемом в заданных пределах давлении кислорода позволило сформировать тончайшую (в 50нм) пленку. Столь высокие показатели подвижности носителей заряда в оксинитриде цинка стали возможны благодаря заполнению азотом кислородных вакансий оксидной структуры. Получить такую пленку в присутствии атмосферного кислорода, в связи с низкой взаимной активностью азота и цинка, в условиях, отличных от предложенных специалистами на сегодняшний день проблематично.
Для того, чтобы свести к минимуму влияние кислорода на протекающую реакцию и повысить прочность пленки в эксперименте была использована аргоновая плазма, которая, помимо функции “барьера” стимулировала каскады столкновений атомов и ионов. Такая искусственная стимуляция позволила перераспределить энергии химических реакций и запустить процесс создания в аморфной матрице нанокристаллов — устойчивых химических соединений между азотом, цинком и кислородом.
Полученная пленка оксинитрида цинка характеризуется стабильной и равномерной поликристаллической структурой, стойкой к активным химическим веществам и излучению. В ходе тестовых испытаний инновационный пленочный транзистор и пленочный транзистор, полученный традиционным способом были подвергнуты 30-ти дневному воздействию атмосферного воздуха. По истечении срока выяснилось, что пленка оксинитрида цинка, в отличие от традиционной, практически не потеряла своих первоначальных свойств. Измерение подвижности носителей заряда показало, что этот показатель составил 138 см2/вольт*сек, что на порядок превышает подвижность носителей в пленках, полученных традиционным способом на основе окиси цинка – галлия – индия.
Таким образом, результаты эксперимента однозначно подтвердили новый абсолютный рекорд подвижности носителей электрического заряда в тонкопленочном транзисторе на основе оксинитрида цинка ZnON.
Безусловно, несмотря на блестящие результаты эксперимента, подтвердившие эффективность рассматриваемой технологии, проведение опытов в условиях лаборатории существенно ограничили возможности исследователей, как в плане получения требуемого уровня повторяемости результатов, так и в отношении проверки потенциала катионов других металлов на предмет улучшения уже достигнутых показателей.
Подробнее с результатами работы ученых можно ознакомиться на сайте Applied Physics Letters.
Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах блога iCover! Мы готовы и дальше радовать вас своими публикациями и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время доставило удовольствие и вам. И, конечно, не забывайте подписываться на наши рубрики и мы обещаем — скучно не будет!
Другие наши статьи
