I transistor a film sottile (TFT) basati su semiconduttori a ossido amorfo (AOS) hanno attirato notevole attenzione per le applicazioni nei dispositivi di archiviazione di prossima generazione come la memoria ad accesso casuale dinamico (DRAM) senza condensatori e le tecnologie DRAM ad alta densità. Tali dispositivi di archiviazione utilizzano architetture complesse con TFT impilati verticalmente per ottenere densità di archiviazione elevate.

Nonostante il loro potenziale, i TFT AOS soffrono di problemi di contatto tra AOS ed elettrodi che comportano una resistenza di contatto eccessivamente elevata, degradando così la mobilità dei portatori di carica e aumentando il consumo energetico. Inoltre, le architetture impilate verticalmente aggravano ulteriormente questi problemi.

Sono stati proposti molti metodi per affrontare questi problemi, inclusa la deposizione di uno strato intermedio di ossido altamente conduttivo tra i contatti, la formazione di posti vacanti di ossigeno sulla superficie di contatto AOS e il trattamento superficiale con plasma. L'idrogeno gioca un ruolo chiave in questi metodi poiché, quando dissociato in idrogeno atomico e iniettato nell'area di contatto dell'elettrodo AOS, genera portatori di carica, riducendo così la resistenza di contatto.

Tuttavia, questi metodi sono ad alta intensità energetica o richiedono più passaggi e, sebbene risolvano efficacemente l'elevata resistenza di contatto della superficie superiore esposta dei semiconduttori, sono poco pratici per i contatti sepolti all'interno delle complesse architetture su scala nanometrica dei dispositivi di archiviazione.

Per affrontare questo problema, un team di ricercatori (il professore assistente Masatake Tsuji, il dottorando Yuhao Shi e il professore onorario Hideo Hosono) del Centro di ricerca MDX per la strategia degli elementi presso l'Iniziativa internazionale per le frontiere della ricerca presso il Tokyo Institute of Technology ha ora sviluppato un romanzo metodo di iniezione di idrogeno. I loro risultati sono stati pubblicati online sulla rivista ACS Nano il 22 marzo 2024.

In questo metodo innovativo, un elettrodo costituito da un metallo adatto, che può catalizzare la dissociazione dell'idrogeno a basse temperature, viene utilizzato per trasportare l'idrogeno atomico all'interfaccia dell'elettrodo AOS, risultando in uno strato di ossido altamente conduttivo. La scelta del materiale adatto per gli elettrodi è quindi fondamentale per implementare questa strategia.

Il dottor Tsuji spiega:"Questo metodo richiede un metallo che abbia un'elevata velocità di diffusione dell'idrogeno e una solubilità dell'idrogeno per abbreviare i tempi di post-trattamento e ridurre le temperature di lavorazione. In questo studio, abbiamo utilizzato il palladio (Pd) poiché svolge il duplice ruolo di catalizzatore dissociazione e trasporto dell'idrogeno, rendendolo il materiale più adatto per l'iniezione di idrogeno nei TFT AOS a basse temperature, anche a contatti interni profondi."

Per dimostrare l'efficacia di questo metodo, il team ha fabbricato TFT amorfi all'ossido di indio e gallio (a-IGZO) con elettrodi a film sottile di Pd come vie di trasporto dell'idrogeno. I TFT sono stati trattati termicamente in un'atmosfera di idrogeno al 5% ad una temperatura di 150°C per 10 minuti. Ciò ha comportato il trasporto dell'idrogeno atomico da parte del Pd all'interfaccia a-IGZO-Pd, innescando una reazione tra ossigeno e idrogeno, formando uno strato interfacciale altamente conduttivo.

I test hanno rivelato che, grazie allo strato conduttivo, la resistenza di contatto dei TFT era ridotta di due ordini di grandezza. Inoltre, la mobilità dei portatori di carica è aumentata da 3,2 cm ² V ^–1 s ^–1 a quasi 20 cm ² V ^–1 s ^–1 , che rappresenta un miglioramento sostanziale.

"Il nostro metodo consente all'idrogeno di raggiungere rapidamente l'interfaccia ossido-Pd anche all'interno del dispositivo, fino a una profondità di 100 μm. Ciò lo rende particolarmente adatto per affrontare i problemi di contatto dei dispositivi di archiviazione basati su AOS", osserva il dott. Tsuji. Inoltre, questo metodo ha preservato la stabilità dei TFT, suggerendo l'assenza di effetti collaterali dovuti alla diffusione dell'idrogeno negli elettrodi.

Sottolineando il potenziale dello studio, il dottor Tsuji conclude:"Questo approccio è specificamente studiato per architetture di dispositivi complesse e rappresenta una soluzione preziosa per l'applicazione dell'AOS nei dispositivi di memoria e nei display di prossima generazione". IGZO-TFT è ora uno standard de facto per gestire i pixel dei display a schermo piatto. La tecnologia attuale proporrà la sua applicazione alla memoria.