Metalloxid tunnfilmstransistorer (TFT), som är byggda genom att avsätta tunna filmer av ett aktivt metalloxidbaserat halvledande material på ett stödjande substrat, har blivit flitigt använt under de senaste åren, särskilt i organiska lysdiodskärmar. De flesta kommersiellt tillgängliga anordningar som innehåller dessa transistorer förlitar sig för närvarande på metalloxider som bearbetas med hjälp av fysiska ångavsättningstekniker.

Nyligen genomförda studier tyder på att det kan finnas mer kostnadseffektiva sätt att tillverka TFT, till exempel, använda lösningsbaserade processer. Än så länge, dock, dessa processer har producerat transistorer med låg bärvågsmobilitet och otillfredsställande driftsstabilitet.

Forskare vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien, University of Oxford i Storbritannien, och flera andra institutioner världen över har nyligen lyckats tillverka oxidtransistorer med hög elektronmobilitet och driftsstabilitet med användning av lösningsfasdeponeringsmetoder. I deras studie, med i Naturelektronik , de använde lösningsbearbetade flerskiktskanaler gjorda av ultratunna lager av indiumoxid, zinkoxid nanopartiklar, ozonbehandlad polystyren och kompakt zinkoxid.

"Vi har arbetat för att lösa ett långvarigt problem som tunnfilmstransistorer av oxid-halvledartyp (TFT) har stått inför sedan de uppfanns:driftsstabilitet, "Yen-Hung Lin, en av de ledande forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Detta härrör från materialegenskaperna - rikliga icke-stökiometriska defekter, som är ansvariga för konduktiviteten hos oxidhalvledare. Dock, dessa defekter är skadliga för enhetens stabilitet under långa timmars kontinuerlig drift."

I en rad tidigare studier, samma team av forskare tillverkade flerskiktiga oxid-halvledar-TFT:er som presterade anmärkningsvärt bra, använda olika lösningar. De skapade också en flerskiktsarkitektur som i huvudsak efterliknar konventionella transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT) för att skapa en "energisk stege."

I denna flerskiktsarkitektur, högrörliga elektroner är begränsade mellan indiumoxid och zinkoxid, skapa atomärt vassa lösningsbearbetade, oxid-oxid heterogränssnitt. I deras senaste tidning, forskarna visar att tillsats av ett UV-ozonbehandlat få nanometertunt polystyrenskikt till denna struktur effektivt kan passivera defekter vid oxid-oxid-heterogränssnitten, vilket försämrade prestandan hos deras tidigare utvecklade flerskikts-TFT.

"Vi inkorporerade även zinkoxidnanopartiklar eller aluminiumdopade zinkoxidnanopartiklar i polystyrenskiktet för att ytterligare förbättra enhetens prestanda och driftsstabilitet, " förklarade Lin.

Det nya tillvägagångssättet för att tillverka oxid-TFT som introducerades av Dr. Lin, Prof. Thomas Anthopoulos och deras kollegor är enkel och effektiv. En av dess viktigaste fördelar är att den är beroende av billiga material som kan bearbetas i lösning, inklusive indiumnitrat, zinkoxidpulver, zinkoxidnanopartiklar och aluminiumdopade zinkoxidnanopartiklar.

TFT:erna kan också tillverkas på flexibla substrat, såsom polymerer eller papper, eftersom enheterna är tillverkade vid 200 grader C. Forskarna fann att de resulterande transistorerna har den högsta driftsstabiliteten som rapporterats i litteraturen hittills under en av de tuffaste testförhållandena (d.v.s. 24-timmars kontinuerlig drift med hög elektrisk flödestäthet).

"Vi upptäckte ett effektivt sätt att leverera en låg temperatur, lösningsodlad, högpresterande tunnfilmstransistor med oöverträffad driftsstabilitet genom att kombinera organiska material, som ofta är det bästa materialet för flexibel elektronik, och oxidhalvledare, " sa Lin. "Indium gallium zinkoxid (IGZO), som för närvarande är det befintliga materialet för tunnfilmstransistorer i generationen av post-amorf kisel, ersätter snabbt amorft kisel som huvudmaterialet för den globala bildskärmsindustrin, även om det vanligtvis kräver antingen en vakuumprocess eller hög temperatur."

I framtiden, de nya hybridtransistorer av organiska metalloxider som introducerades av Lin och hans kollegor kan avsevärt främja utvecklingen av flexibel elektronik. Faktiskt, jämfört med andra lösningsbearbetbara material, oxidhalvledare är lättare att tillverka, uppnår ofta bättre elektrisk prestanda än andra konkurrerande tekniker. Till exempel, oxidhalvledare är enklare att producera och presterar bättre än lösningsbearbetade 2D-material, vilket gör dem mer lämpade för de flesta low-end applikationer.

"I framtiden, vi planerar att utöka tillämpningen av våra flerskiktiga organisk-oxid-halvledande kanaler i andra elektroniska och optoelektroniska enheter (t.ex. radiofrekvensdioder, fotodetektorer) på grund av deras höga prestanda och driftsstabilitet, ", sa Lin. "Vi planerar också att tillverka transistorer och integrerade kretsar med andra skalbara, högkapacitetstillverkningstekniker (t.ex. tryckning eller sprutning), som skulle kunna användas i många nya teknologier, som flexibla displayer och biokemiska sensorer, bland många andra."

© 2020 Science X Network