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速度更快的透明電晶體

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:May 30, 2003

編輯 Agape 報導

日本的科學家利用單晶成長的半導體氧化物﹐製造出速度快且透明的電晶體。

在過去的Sciscape報導中﹐曾為讀者介紹以ZnO製造的透明薄膜電晶體。迄今不過經過幾個月的時間﹐日本的科學家們又有了新的研究成果。他們的元件獨特之處﹐是在於其中電子的移動率(mobility)大為提高。

Kenji Nomura與其研究小組﹐先前已經成功地利用稱為reactive solid-phase epitaxy的技術﹐來成長單晶結構的複合氧化物(complex oxides) 。在他們所製造的薄膜電晶體元件中﹐是先以雷射沉積法﹐在攝氏700度的高溫﹐於yttria-stablized zirconia(YSZ)(111) 單晶基板上﹐鍍上2nm的ZnO。接著在室溫下﹐鍍上120nm的InGaO3(ZnO)5。然後將一片YSZ板覆蓋在其上﹐整個樣品送入壓力為大氣環境的電爐中﹐在攝氏1400度的高溫下﹐加熱30分鐘。如此的製程﹐能夠產生上述晶體的單晶成長。這裡的InGaO3(ZnO)5薄膜﹐乃是作為電晶體的導電通路之用。電晶體的源極﹑閘極﹑與頂部電極結線﹐是用ITO(indium-tin oxide ﹐為透明導電物質) 製作。而80nm非晶性的HfO2 ﹐則是作為導電通路與頂部電極之間的絕緣體。

所製成的InGaO3(ZnO)5﹐經過高解像度穿透電子顯微鏡(high-resolution transmission electro microscopy) 的檢視﹐發現InO2(-)與GaO(ZnO)5(+)的交互規則排列﹐證實了薄膜的單晶結構。而原子力顯微鏡(atomic force microscopy) 的掃描結果﹐則發現薄膜的表面十分平滑﹐表面最大的波動﹐是相鄰InO2(-)層的高度﹐說明了良好的磊晶成長。

Nomura等人測量了元件的透光率﹐發現對於波長在390nm與3200nm之間的光﹐其穿透率均超過80%。至於電晶體的特性﹐則與先前其它研究小組使用多晶性(polycrystalline)ZnO所發表的結果﹐不相上下。然而﹐由於作為導電通路的InGaO3(ZnO)5為單晶結構﹐減少了因晶格缺陷或雜質造成的散射﹔而且﹐薄膜的介面之間也較為平滑﹐對於電子在其中的移動﹐造成較少的阻力。除此之外﹐由於載子密度較低(~10e13cm-3) ﹐意味這有較少的離子化雜質(ionized impurities)﹐使電子受到其影響的碰撞機會大為降低。由場效電晶體特性所量到的電子移動率﹐高達80cm2/Vsec ﹐遠比一般多晶性ZnO中0.3-2.5cm2/Vsec要高了許多。也因為如此﹐使得Nomura等人的元件﹐應用在平面顯示器的主動元件或透明光電元件上﹐有很大的潛力。

原始論文:

PhysocsWeb: Transistors go transparent

Thin-Film Transistor Fabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor, Kenji Nomura, et al., Science 300, 1269 (2003)

參考來源:

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