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IGZO TFTs:材料,器件及其应用

2021-05-21

自2004年日本学者细野秀雄发明铟镓锌氧(IGZO)薄膜晶体管(TFTs)以来,该类TFTs由于其良好的电学性能,且可以大面积低温制备等优点受到科研工作者和产业界的广泛关注。目前,在显示应用领域,氢化非晶硅薄膜晶体管的迁移率通常低于1 cm2/(V×s),而且在力和光照下器件性能不稳定。低温多晶硅TFTs相比于氢化非晶硅TFTs具有高的迁移率和良好的稳定性,但制备成本相对较高,尤其是对于大尺寸显示器。IGZO TFTs很好地兼备了高迁移率、低成本且工艺兼容的优势,被大规模地应用在新一代显示驱动领域。除了在显示驱动方面具有重大应用价值,IGZO TFTs在传感器和新概念神经形态器件与类脑芯片等领域也具有重要应用前景。

南京大学电子科学与工程学院万青教授课题组在本文中对IGZO TFTs的发展历史、研究进展和主要发展趋势进行了系统性地综述,从材料、器件和应用等方面进行了总结报道。该文首先介绍了铟镓锌氧材料的发展历史和主要优点,铟镓锌氧晶体在1985年通过高于1000℃烧结的方法被首次制备出来,直到2004年,日本学者细野秀雄发明了第一个非晶IGZO TFT,此后掀起了IGZO TFTs的研究热潮。该氧化物半导体电子传输轨道不同于Si等共价半导体,氧化物半导体通过简并能带导电,载流子的传输路径是由各向同性的空间金属ns轨道组成,其主要优势在于s轨道球形对称,扭曲重叠的金属-氧-金属轨道仍然可以提供导电通道,即该材料的晶体结构被破坏或处于非晶状态时仍具有较高的迁移率。但像Si这种共价半导体通过sp3定向轨道进行载流子传输,当晶体结构被破坏或处于非晶态时,载流子传导通路被阻断,迁移率会比单晶硅低3个数量级。接着介绍了该薄膜材料的制备工艺,包括射频磁控溅射、激光脉冲沉积、等离子体增强化学气相沉积技术等,各种制备方法各有优势,并在文章中进行了一一介绍。然后详细介绍了IGZO TFTs的器件结构及其具有的良好电学性能。器件结构包括背栅结构、顶栅结构、双栅结构、垂直结构和多侧栅结构。接着系统详细地介绍了IGZO TFTs在显示驱动、传感器应用及新概念神经形态等领域的应用,最后对该领域未来发展进行了展望。

图1. IGZO TFTs在显示驱动、传感器及神经形态系统领域的一些重要应用。

1、在显示驱动应用领域,基于IGZO TFTs驱动的显示面板已经被各知名公司如夏普、三星电子等开发并开始有产品投入市场使用。但仍然存在一些技术上的问题,例如亮度均匀性、器件稳定性和成品率等。在后续的研究中,希望可以克服这些难题,使高像素点、大尺寸、窄边框以及真正意义上的柔性显示屏被大量生产并投入使用。2、在传感器应用上,IGZO TFTs依靠其制备工艺的兼容性,并对光、压力、pH、气味等物质敏感,可以精确探测光的波长、压力的大小、pH值的大小等,在传感器应用领域具有很大潜力。3、基于冯诺依曼架构的传统计算机活跃在人们生活中的各个方面,但随着摩尔定律终结和冯诺依曼瓶颈的讨论不断提出,传统计算机的算力越来越不能满足大数据时代信息处理的需求。作为复杂数据处理的有效解决方案,神经形态电子器件能够模仿人类大脑对信息处理的强大功能,实现高效、低能耗、并行计算。2009年万青教授课题组研制了第一个以固态电解质为栅介质的IGZO双电层晶体管,此后,基于双电层耦合效应和电化学掺杂的神经形态器件的研究被大量报道,IGZO神经形态晶体管模拟了一些重要的突触及神经元功能。但新兴的神经形态系统的发展仍处于早期阶段,大规模的三维集成、类脑动力学计算和系统感知仍需要不断深入探索。相信通过微电子学和神经科学的交叉对神经形态系统的发展会有颠覆性的创新,最终实现算力强大的神经形态计算。

Indium–gallium–zinc–oxide thin-film transistors: Materials, devices, and applications

Ying Zhu, Yongli He, Shanshan Jiang, Li Zhu, Chunsheng Chen, Qing Wan

J. Semicond. 2021, 42(3): 031101

doi: 10.1088/1674-4926/42/3/031101

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/3/031101?pageType=en

 



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