Созданы тонкопленочные транзисторы на основе соединений цинка, обладающие рекордным быстродействием - «Наука и технологии»

Если вы читаете эти строки с экрана жидкокристаллического монитора, то вы делаете это в большей степени благодаря работе одного из ключевых компонентов жидкокристаллических матриц - прозрачных тонкопленочных транзисторов. Такие транзисторы работают в точности как их обычные полупроводниковые аналоги, но их чрезвычайно тонкая структура нанесена на поверхность стекла или прозрачного полимерного материала. В матрицах дисплеев такие транзисторы должны быть расположены максимально близко к ячейке, которой они управляют, что обеспечивает высокое качество, скорость реакции и стабильность изображения на экране.

Исследователи из Корейского университета (Korea University) и Института передовых технологий компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology) разработали новый тип тонкопленочных транзисторов, который имеет существенно большее быстродействие, нежели его аналоги, используемые в настоящее время. Появление такого транзистора является большим шагом в деле увеличения быстродействия жидкокристаллических дисплеев и в первую очередь, дисплеев, предназначенных для смартфонов, планшетных компьютеров и телевизоров. Основным материалом нового транзистора является оксинитрид цинка (ZnON), а при его создании используется новый технологический процесс, в котором задействована плазма из ионов инертного газа аргона.

Различные исследовательские группы уже давно работают над созданием тонкопленочных структур из соединений на базе оксида цинка. Но в основном все пытаются использовать допирование материала катионами различных металлов, таких, как индий, галлий, гафний, цирконий и др. Атомы этих металлов обеспечивают увеличение скорости движения электронов под воздействием электрического поля, их подвижности. Самой высокой подвижностью (200 см2/вольт*сек) в настоящее время обладают электроны в графене, в то время, как в традиционных полупроводниках их подвижность составляет от 5 до 20 см2/вольт*сек.

"Для обеспечения высокой производительности и экономичности электронных устройств будущего требуется подвижность носителей электрического заряда выше 100 см2/вольт*сек" - рассказывает Сэнгун Джеон, профессор из Корейского университета, - "Подвижность носителей заряда в созданных нами цинковых транзисторах минимум в десять раз превышает подвижность носителей в обычных тонкопленочных транзисторах".

Ключевым моментом создания цинкового тонкопленочного транзистора стал технологический процесс осаждения материала из смеси азота (N2), кислорода (O2) и аргона. Эти газ попеременно обдували "мишень" из цинка, а ученые в это время тщательно регулировали давление кислорода, поддерживая постоянным давление азота и аргона. Такой процесс привел к формированию гладкой пленки оксинитрида цинка, толщиной около 50 нанометров, которую очень тяжело получить в других условиях из-за низкой реакционной способности между азотом и цинком при условии наличия атмосферного кислорода.

Для предотвращения влияния кислорода ученые использовали защитную аргоновую плазму. Кроме создания защитной атмосферы, наличие плазмы вызвало каскады столкновений атомов и ионов, в результате которых произошло перераспределение энергий химических реакций, что в свою очередь привело к формированию устойчивых химических связей между цинком, азотом и кислородом. Благодаря такому процессу сформировавшаяся пленка материала имела стабильную и равномерную поликристаллическую структуру, которая не разрушается под воздействием различного рода излучений и активных химических веществ.

Испытывая полученный материал, исследователи оставили пленку оксинитрида цинка, полученную их способом, и такую же пленку, полученную одним из традиционных способов, в условиях открытого воздуха на 30 дней. И по окончанию этого срока только новая пленка не показала значительной потери атомов азота, в отличие от второго образца. После этих испытаний исследователи провели измерение подвижности носителей заряда, которая оказалась равна 138 см2/вольт*сек, что на порядок выше, нежели подвижность носителей в пленке традиционной окиси цинка-галлия-индия.

И в результате всех этих усилий на свет появился первый тонкопленочный транзистор из оксинитрида цинка, который на счет высокой подвижности носителей электрического заряда продемонстрировал весьма высокую скорость переключения. К сожалению, из-за производства этих транзисторов в лабораторных условиях, повторяемость результатов была очень низкой и для того, чтобы можно было с уверенностью привести какие-либо цифры, отражающие реальное быстродействие новых транзисторов, ученым потребуется модернизировать процесс их производства, плюс попробовать использовать внедрение в материал катионов других металлов и произвести тщательную ультрафиолетовую очистку полученных пленок материала.