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编译服务: 集成电路 编译者: shenxiang 编译时间: Aug 27, 2018 浏 览 量: 1

《Nature Electronics》期刊设置了一个名为“逆向工程(Reverse Engineering)”的专栏,它从主流发明家的角度审视现在广泛使用的电子设备的发展。到目前为止,该专栏已发布DRAM、DVD、CD和锂离子充电电池等主题。2018年7月,该专栏邀请东京科技创新研究所教授、元素战略材料研究中心主任Hideo Hosono,讲述了IGZO薄膜晶体管(TFT)的发展历史和现状。

使用包括铟(In)、镓(Ga)和锌(Zn)或IGZO的氧化物的场效应晶体管(TFT)使得以前从未见过的高分辨率节能显示器成为可能。IGZO电子迁移率是氢化非晶硅的10倍,氢化非晶硅在过去被专门用于显示器。此外,它的截止电流非常低,并且它是透明的,允许光通过。IGZO已被应用于驱动液晶显示器,例如智能手机和平板电脑。三年前,它也被用来驱动大型OLED电视,这被认为是一个重大突破。这个市场正在迅速扩大,从韩国和日本电子制造商发布的产品中可以看出,它们现在占据了商店的货架。

过渡金属氧化物的电子导电性早已被人们所知,但是电场的电流调制却没有。在20世纪60年代,当氧化锌、氧化锡和氧化铟形成TFT结构时,调制电流是可能的。然而,他们的表现很差,直到2000年左右出现了有机TFT的研究报道。将氧化物视为电子材料、有关氧化物电子的新领域早已经存在。东京科技创新研究所的材料和结构的现代实验室是氧化物电子的一个研究中心,在全世界快速传播氧化锌TFT。然而,由于薄膜是多晶的,由于其特性和稳定性存在问题,所以没有得到实际应用。

在显示器中的应用不同于CPU,它需要在一个大的衬底上形成一个薄的、均匀的薄膜——像非晶态材料——当薄膜受到电场时,在低栅电压下的电流急剧增加。然而,虽然非晶材料是形成薄、均匀薄膜、高载流子浓度等问题的最佳选择,但由于结构无序的出现,大多数情况下防止电场对电流的调制。唯一的例外是1975的含大量氢的非晶硅。由这种材料制成的TFT被用来驱动液晶显示器,它成长为一个巨大的10万亿日元的产业。然而,电子迁移率仍然比晶体硅低两到三个数量级——不优于0.5到1 cm2 V-1 s-1。因此,无定形半导体易于制造,但被认为具有非常差的电子性质。

Hosono教授把关注重点集中在具有高离子结合性质的氧化物上,该系列由属于周期表的p块的非过渡金属组成。在该材料系列中,作为电子路径的导带底部主要由球对称的金属S轨道构成,具有较大的空间扩展。正因为如此,轨道的重叠程度,支配电子如何容易移动,对键角变化不敏感,这是非晶态材料的固有性质。这种特性可能允许在与多晶薄膜相媲美的非晶材料中的迁移率。Hosono教授做了相应的实验,找到了一些例子。2003年,Hosono和他的合作者在《Nature》上报道晶体外延薄膜可以产生大约80 cm2 V-1 s-1的迁移率。2004年,他们再次在《Nature》上报道,非晶薄膜也能产生大约10 cm2 V-1 s-1的迁移率。

根据这些研究发现,非晶氧化物半导体及其TFT的研究开始在世界范围内迅速增长——不仅在信息显示协会(SID)和国际非晶半导体会议上。Hosono的两篇论文分别被引用了2000次和5000次。与这些发明相关的专利的总引用量现在超过9000。自2012以来,具有这些TFT的显示器的产品已可供一般消费者使用。由于非晶IGZO TFT的独特特性——它们的高迁移率和在大面积上容易形成薄的均匀薄膜的能力,它们还出现在了2015年的大型OLED电视上。这种显示器被安装在东京科技创新研究所技术材料研究中心的第一层和材料和结构实验室的门厅。IGZO TFTS在高清大液晶电视上的应用将很快开始。

相关论文发表在《Nature Electronics》,1:428 (2018), DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-018-0106-0,题目:“How we made the IGZO transistor”。

  
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