非晶氧化物半导体 (AOS) 因其低成本和高电子（电荷载流子）迁移率而成为下一代显示技术的有前途的选择。尤其是高移动性对于高速图像至关重要。但 AOS 也有一个明显的缺点，阻碍了它们的商业化——移动性与稳定性的权衡。

TFT 稳定性的核心测试之一是“负偏置温度应力”(NBTS) 稳定性测试。两种感兴趣的 AOS TFT 是氧化铟镓锌 (IGZO) 和氧化铟锡锌 (ITZO)。IGZO TFT具有较高的NBTS稳定性但迁移率较差，而ITZO TFT则具有相反的特性。这种权衡的存在是众所周知的，但到目前为止还没有理解它为什么会发生。

在最近发表在Nature Electronics 上的一项研究（“氧化物薄膜晶体管的迁移率-稳定性权衡”）中，来自日本的一组科学家现在报告了这种权衡的解决方案。

克服薄膜晶体管中的迁移率-稳定性权衡。（图片：东京理工大学）

在我们的研究中，我们专注于 NBTS 稳定性，这通常使用‘电荷捕获’来解释。这描述了累积电荷进入底层基板的损失。然而，我们怀疑这是否能解释我们在 IGZO 和 ITZO TFT 中看到的差异，因此我们专注于载流子密度变化或 AOS 中的费米能级偏移的可能性本身。负责这项研究的东京工业大学助理教授 Junghwan Kim 解释说。

为了研究 NBTS 的稳定性，该团队使用了“具有双层有源通道结构的底栅 TFT”，包括一个 NBTS 稳定的 AOS (IGZO) 层和一个 NBTS 不稳定的 AOS (ITZO) 层。然后，他们对 TFT 进行了表征，并将结果与使用电荷俘获和费米能级位移模型执行的器件模拟进行了比较。

他们发现实验数据与费米能级位移模型一致。金教授说，一旦我们获得了这些信息，下一个问题就是，控制 AOS 移动性的主要因素是什么？

AOS TFT 的制造会将包括一氧化碳 (CO) 在内的杂质引入 TFT，尤其是在 ITZO 情况下。该团队发现 AOS 和非预期杂质之间发生了电荷转移。在这种情况下，CO 杂质向 TFT 的有源层提供电子，从而导致费米能级偏移和 NBTS 不稳定性。

这种基于 CO 的电子捐赠机制取决于导带最小值的位置，这就是为什么您在 ITZO 等高迁移率 TFT 中看到它而不在 IGZO 中看到它。Kim 教授详细说明。

有了这些知识，研究人员通过在 400 °C 下处理 TFT 开发了一种不含 CO 杂质的 ITZO TFT，并发现它是稳定的 NBTS。超高视觉技术需要电子迁移率高于 40 cm 2 (Vs) -1 的TFT 。通过消除 CO 杂质，我们能够制造迁移率高达 70 cm 2 (Vs) -1的 ITZO TFT 。

然而，单独的 CO 杂质不会导致不稳定。任何引起 AOS 电荷转移的杂质都会导致栅极偏置不稳定。为了实现高迁移率的氧化物 TFT，我们需要工业方面的贡献来阐明杂质的所有可能来源。金教授断言。

该结果可为制造用于显示技术以及芯片输入/输出设备、图像传感器和电源系统的其他类似 AOS TFT 铺平道路。此外，鉴于其低成本，它们甚至可能取代更昂贵的硅基技术。