Analisi quantitativa degli stati di difetto in InGaZnO entro 2 eV al di sotto della banda di conduzione tramite foto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13407 (2023) Citare questo articolo

118 accessi

Dettagli sulle metriche

Questo lavoro indaga la funzione della pressione parziale dell'ossigeno nella misurazione della corrente fotoindotta di proprietà di difetto estese legate alla distribuzione e alla quantità di stati di difetto nelle strutture elettroniche. Il livello di Fermi è stato regolato applicando una polarizzazione del gate negativa nella struttura TFT e l'intervallo misurabile dell'energia di attivazione è stato esteso a <2,0 eV. I calcoli basati sulla teoria del funzionale densità vengono utilizzati per studiare i cambiamenti nelle caratteristiche dei difetti e il ruolo dei difetti a livelli superficiali e profondi in funzione della pressione parziale dell'ossigeno. Le caratteristiche del dispositivo, come la mobilità e lo spostamento della tensione di soglia sotto una polarizzazione di gate negativa, hanno mostrato una correlazione lineare con il rapporto tra la densità dei difetti di livello superficiale e di livello profondo. I difetti di livello superficiale e profondo sono organicamente correlati ed entrambi i difetti devono essere considerati quando si comprendono le caratteristiche del dispositivo.

A causa della continua crescita della tecnologia Internet of Things (IoT), vari transistor, celle solari, diodi emettitori di luce e sensori sono stati miniaturizzati e integrati1. Di conseguenza, i processi produttivi sono diversificati, la struttura del dispositivo è complicata e i difetti aumentano. Tra i vari materiali utilizzati nei dispositivi, un semiconduttore di ossido amorfo (AOS) è un composto essenziale di un semiconduttore, grazie alle proprietà elettriche superiori, al processo di fabbricazione a bassa temperatura e all'elevata trasparenza ottica rispetto ai tradizionali TFT a base di silicio2,3. Pertanto, posti vacanti, inserti e sostituti possono fungere da elementi difettosi4,5. Questi difetti dei semiconduttori di ossido possono agire in modo diverso come donatori o siti di trappola a seconda del livello di energia6. I difetti che agiscono come trappole di elettroni creano barriere locali, aumentano la diffusione dei portatori, interferiscono con le correnti di deriva e inducono correnti di diffusione7. Pertanto, è significativo misurare quantitativamente la densità del difetto e l'energia di attivazione per analizzare le caratteristiche del dispositivo.

I difetti nei film sottili AOS possono esistere a diversi livelli di energia e possono presentare più difetti di quanto precedentemente riportato8,9. Tuttavia, l'intervallo misurabile della densità del difetto e dell'energia di attivazione è limitato a causa delle differenze nella reattività elettrica e ottica a seconda dei materiali10. Inoltre, non esiste una metodologia adeguata in grado di analizzare direttamente i difetti dello stato interfacciale tra ciascuno strato strutturale, che si ritiene esista nel dispositivo. Ad esempio, con il metodo della pompa di carica è possibile misurare la densità del difetto e l'energia di attivazione attraverso la modellazione applicando una tensione di gate come impulso al dispositivo. Tuttavia, poiché la curvatura della banda in funzione della tensione di gate varia a seconda della struttura del dispositivo e delle proprietà del canale, varia anche la risoluzione della misurazione. La spettroscopia transitoria di livello profondo (DLTS) può anche misurare quantitativamente i difetti analizzando la variazione di capacità durante la carica/scarica in funzione della temperatura11,12. In questo metodo, il confronto diretto con le caratteristiche del dispositivo della struttura TFT è difficile perché l'elettrodo deve avere un contatto Schottky verticale per misurare la capacità accurata. Nel nostro ultimo studio, siamo stati in grado di misurare quantitativamente difetti a sole poche centinaia di meV dal minimo della banda di conduzione13. Pertanto, vi è la necessità di un metodo in grado di misurare quantitativamente i difetti distribuiti a vari livelli nel bandgap.

In questo articolo, il livello di Fermi dei TFT a-IGZO viene regolato applicando una polarizzazione del gate negativa per estendere l'intervallo di analisi quantitativa utilizzando la spettroscopia transitoria di corrente fotoindotta (PICTS). Per l'analisi delle grandi quantità di dati ottenuti mediante misurazione è stata utilizzata una tecnica di apprendimento automatico migliorata con alta risoluzione, analisi rapida e affidabilità. Inoltre, l'origine fisica degli stati di difetto è stata studiata attraverso calcoli della teoria del funzionale della densità. Le caratteristiche del dispositivo sono state analizzate attraverso il difetto misurato ed è stato studiato il ruolo del difetto.