В 1985 году Нобору Кимидзука из Национального института исследований неорганических материалов, Япония, впервые предложил идею поликристаллической керамики на основе оксида индия-галлия-цинка (IGZO) с общей химической формулой (InGaO3) m (ZnO) n (m, n = натуральное число; далее IGZO-mn). Вряд ли он мог подумать, что его любопытные электрические свойства заставят электронную промышленность лицензировать тонкопленочные транзисторы (TFT), сделанные из этих оксидов металлов, для различных устройств, включая сенсорные дисплеи. Однако это далось нелегко.
Фактически, даже сегодня многие характеристики чистых кристаллов IGZO остаются неизвестными из-за сложной процедуры их извлечения. Тогда что делает их дразнящими?
Когда вы светите на металлы, свободные проводящие электроны резонируют или вибрируют с внешним светом (электромагнитными волнами). Таким образом, световая волна экранируется, и в результате свет не проходит, а отражается.
Вот почему металлы, как правило, непрозрачны, несмотря на то, что являются хорошими отражателями и проводниками. Напротив, полупроводники с большой шириной запрещенной зоны, такие как IGZO, могут поглощать и пропускать свет даже в диапазоне видимого света. В общем, большая запрещенная зона означает, что эти типы материалов являются изоляторами. Введение носителей с использованием кислородных дефектов в полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной зоны может дать материал, который будет как прозрачным, так и проводящим.
Таким образом, прозрачность и проводимость этих полупроводников делает их пригодными для использования в оптоэлектронных устройствах, во многом похожих на тот, который вы читаете! Кроме того, транзисторы на основе IGZO имеют дополнительные преимущества, такие как высокая подвижность электронов, хорошая однородность на большой площади и низкая температура обработки, что позволяет достичь беспрецедентного энергоэффективного высокого разрешения. В этом семействе IGZO-1n поликристаллический IGZO-11 (i.е. InGaZnO4) демонстрирует самую высокую проводимость и самую большую оптическую ширину запрещенной зоны.
Кроме того, компьютеры типа фон Неймана, или просто цифровые компьютеры, требуют в качестве основных строительных блоков электрических цепей «включено-выключено», при этом идеальное состояние «выключено» соответствует «нулевому» току. IGZO-11 выделяется и в этом отношении, поскольку значение тока в закрытом состоянии для него чрезвычайно мало, что означает, что потери энергии могут быть минимизированы.
Однако пока не получены достаточно крупные монокристаллы ИГЗО-11, которые можно было бы использовать для измерения их физических свойств. Следовательно, его точные внутренние свойства не исследованы. Руководствуясь этим, а также тем фактом, что многокомпонентный оксид со слоистой структурой может проявлять анизотропную проводимость, группа исследователей, в основном из Токийского университета науки, во главе с профессором Миякава, разработала новую технику выращивания монокристаллов такого типа.
Основной проблемой при синтезе многокомпонентной слоистой структуры является периодическое образование дефектов в процессе роста кристаллов. Кроме того, физические свойства материала были неизвестны, а это означало, что путь выделения кристалла необходимо было тщательно наметить.
Столкнувшись с тем, что IGZO-11 также может быть несовместимым материалом при атмосферном давлении (i.е., кристаллическая твердая фаза разлагается в процессе плавления на вторую кристаллическую фазу, отличную от исходного кристалла, и жидкую фазу), исследовательская группа выбрала оптическую плавающую зону (OFZ) для создания кристалла. Увеличив давление газа, команде удалось подавить испарение и испарение и вырастить хороший монокристалл из жидкой фазы.
Таким образом, OFZ позволяет выращивать высококачественные кристаллы оксида без необходимости в тигле или контейнере, что дает лучший контроль над температурой и давлением, которым подвергается жидкий материал.
Кроме того, использование в синтезе прутка, богатого цинком, позволило исследователям контролировать уровень ZnO, который в противном случае испарился бы, что сделало синтез бесполезным.
После успешного синтеза кристалла исследователи изучили его физические свойства. Они заметили, что возникающий кристалл имеет голубоватый цвет.
При отжиге или нагревании с последующим медленным охлаждением в свободной атмосфере и дополнительном кислороде кристалл становился прозрачным. Свободные носители, образованные кислородными вакансиями в кристаллах, поглощают красный свет и излучают синий свет; таким образом, исследователи связали изменение цвета с этим кислородом, заполняющим вакансии при отжиге кристалла.
Чтобы завершить сказку, исследователи затем измерили электропроводность, подвижность и плотность носителей заряда кристалла, а также их температурные зависимости. Они отметили, что все электрические свойства после отжига снизились.
Плотность носителей и проводимость можно регулировать в диапазоне от 1017 до 1020 см-3 и 2000-1 См см-1 при комнатной температуре с помощью пост-отжига. Они также сообщили об увеличении подвижности при увеличении плотности носителей, что ранее отмечалось в исследованиях переноса некоторых тонких пленок IGZO-1n.
Это говорит о том, что необычное поведение является внутренней характеристикой семейства IGZO-1n.
Интересно, что команда отметила, что проводимость вдоль оси c (ось, перпендикулярная каждой плоскости в слоистой структуре) в> 40 раз ниже, чем проводимость в ab-плоскости (плоскости слоя) в монокристаллах, и что анизотропия увеличивается с уменьшением плотности носителей.
Как объясняет профессор Миякава, «расстояние между индием по оси c намного больше, чем по плоскости ab. Следовательно, перекрытие волновой функции меньше в направлении оси c.«Поскольку степень перекрытия волновых функций электронных орбиталей определяет, насколько легко электроны могут двигаться, исследователи утверждают, что это может быть причиной анизотропной проводимости кристаллов IGZO-11.
Ранее семейство IGZO использовалось в жидкокристаллических дисплеях, в том числе в смартфонах и планшетах, а в последнее время и в больших OLED-телевизорах. Электропроводность и прозрачность этого нового материала выделяют IGZO.
Хотя производство транзисторов из IGZO-11, которые могут быть непосредственно применены в светодиодах, все еще продолжается, это увлекательное исследование знаменует собой начало многих других открытий.
Итак, вы понимаете, почему IGZO-11 важен, или вы понимаете это насквозь??