Architettura ibrida dei transistori a canale multistrato a ossido di metallo organico e strutture di banda corrispondenti. Credito:Lin et al.
Transistor a film sottile di ossido di metallo (TFT), che sono costruiti depositando film sottili di un materiale semiconduttore a base di ossido di metallo attivo su un substrato di supporto, sono stati ampiamente utilizzati negli ultimi anni, in particolare nei display a diodi organici a emissione di luce. La maggior parte dei dispositivi disponibili in commercio che incorporano questi transistor si basano attualmente su ossidi metallici trattati utilizzando tecniche di deposizione fisica da vapore.
Studi recenti suggeriscono che potrebbero esserci modi più convenienti per fabbricare TFT, ad esempio, impiegando processi basati su soluzioni. Finora, però, questi processi hanno prodotto transistor con una bassa mobilità dei portatori e stabilità operative insoddisfacenti.
Ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Arabia Saudita, Università di Oxford nel Regno Unito, e diverse altre istituzioni in tutto il mondo sono recentemente riuscite a fabbricare transistor ad ossido con elevata mobilità degli elettroni e stabilità operativa utilizzando metodi di deposizione in fase di soluzione. Nel loro studio, in primo piano Elettronica della natura , hanno usato canali multistrato processati in soluzione fatti di strati ultrasottili di ossido di indio, nanoparticelle di ossido di zinco, polistirene trattato con ozono e ossido di zinco compatto.
"Abbiamo lavorato per risolvere un problema di vecchia data che i transistor a film sottile (TFT) a ossido-semiconduttore hanno dovuto affrontare sin dalla loro invenzione:stabilità operativa, "Yen-Hung Lin, uno dei principali ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Ciò deriva dalle proprietà del materiale:abbondanti difetti non stechiometrici, responsabili della conduttività dei semiconduttori di ossido. Però, questi difetti sono dannosi per la stabilità del dispositivo in condizioni di funzionamento continuo per molte ore."
In una serie di studi precedenti, lo stesso team di ricercatori ha fabbricato TFT multistrato ossido-semiconduttore che hanno funzionato molto bene, utilizzando soluzioni diverse. Hanno anche creato un'architettura multistrato che essenzialmente imita i convenzionali transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) per creare una "scala energetica".
In questa architettura multistrato, gli elettroni ad alta mobilità sono confinati tra ossido di indio e ossido di zinco, creazione di soluzioni elaborate atomicamente nitide, eterointerfacce ossido-ossido. Nel loro recente articolo, i ricercatori mostrano che l'aggiunta di uno strato di polistirene sottile di pochi nanometri trattato con ozono UV a questa struttura può passivare efficacemente i difetti alle eterointerfacce ossido-ossido, che ha compromesso le prestazioni dei loro TFT multistrato precedentemente sviluppati.
Grafico a dispersione 3D dei dati di sollecitazione di polarizzazione del transistor presi dalla letteratura precedente. Credito:Lin et al.
"Abbiamo anche incorporato nanoparticelle di ossido di zinco o nanoparticelle di ossido di zinco drogato con alluminio nello strato di polistirene per migliorare ulteriormente le prestazioni del dispositivo e la stabilità operativa, "Li ha spiegato.
Il nuovo approccio per fabbricare TFT di ossido introdotto dal Dr. Lin, Il prof. Thomas Anthopoulos ei loro colleghi è semplice ed efficace. Uno dei suoi principali vantaggi è che si basa su materiali poco costosi processabili in soluzione, compreso il nitrato di indio, polvere di ossido di zinco, nanoparticelle di ossido di zinco e nanoparticelle di ossido di zinco drogato con alluminio.
I TFT possono essere realizzati anche su substrati flessibili, come polimeri o carta, poiché i dispositivi sono fabbricati a 200 gradi C. I ricercatori hanno scoperto che i transistor risultanti hanno la massima stabilità operativa riportata finora in letteratura in una delle condizioni di test più difficili (cioè, Funzionamento continuo 24 ore su 24 con elevata densità di flusso elettrico).
"Abbiamo scoperto un modo efficace per fornire una bassa temperatura, cresciuto in soluzione, transistor a film sottile ad alte prestazioni con stabilità operativa senza precedenti combinando materiali organici, che sono spesso i materiali di riferimento per l'elettronica flessibile, e semiconduttori di ossido, " Lin ha detto. " Ossido di zinco indio gallio (IGZO), che è attualmente il materiale storico per i transistor a film sottile nella generazione post-silicio amorfo, sta rapidamente sostituendo il silicio amorfo come materiale principale per l'industria globale dei display, sebbene di solito richieda un processo sotto vuoto o ad alta temperatura."
Nel futuro, i nuovi transistor ibridi organici metallo-ossido introdotti da Lin e dai suoi colleghi potrebbero far avanzare notevolmente lo sviluppo dell'elettronica flessibile. Infatti, rispetto ad altri materiali processabili in soluzione, i semiconduttori di ossido sono più facili da produrre, spesso ottenendo prestazioni elettriche migliori rispetto ad altre tecnologie concorrenti. Ad esempio, i semiconduttori a ossido sono più semplici da produrre e hanno prestazioni migliori rispetto ai materiali 2-D lavorati in soluzione, che li rende più adatti per la maggior parte delle applicazioni di fascia bassa.
"Nel futuro, abbiamo in programma di estendere l'applicazione dei nostri canali semiconduttori di ossido organico multistrato in altri dispositivi elettronici e optoelettronici (ad es. diodi a radiofrequenza, fotorivelatori) per le loro elevate prestazioni e stabilità operativa, " Lin ha detto. "Abbiamo anche in programma di fabbricare transistor e circuiti integrati utilizzando altri scalabili, tecniche di produzione ad alta produttività (ad es. stampa o spruzzatura), che potrebbe essere utilizzato in numerose tecnologie emergenti, come display flessibili e sensori biochimici, tra tanti altri».
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