En ny metod som använder palladium för att injicera väte i de djupt begravda oxid-metallelektrodkontakterna i amorfa oxidhalvledare (AOS) lagringsenheter, vilket minskar kontaktmotståndet, har utvecklats av forskare vid Tokyo Tech. Denna innovativa metod presenterar en värdefull lösning för att ta itu med kontaktproblemen med AOS, vilket banar väg för deras tillämpning i nästa generations lagringsenheter och bildskärmar.

Tunnfilmstransistorer (TFT) baserade på amorfa oxidhalvledare (AOS) har fått stor uppmärksamhet för tillämpningar i nästa generations lagringsenheter som kondensatorlöst dynamiskt direktminne (DRAM) och DRAM-teknologier med hög densitet. Sådana lagringsenheter använder komplexa arkitekturer med TFT:er staplade vertikalt för att uppnå höga lagringstätheter.

Trots sin potential lider AOS TFT av kontaktproblem mellan AOS och elektroder, vilket resulterar i för högt kontaktmotstånd, vilket försämrar laddningsbärarens rörlighet och ökar strömförbrukningen. Dessutom förvärrar vertikalt staplade arkitekturer dessa problem ytterligare.

Många metoder har föreslagits för att ta itu med dessa problem, inklusive avsättning av ett starkt ledande oxidmellanskikt mellan kontakterna, bildande av syrevakanser på AOS-kontaktytan och ytbehandling med plasma. Väte spelar en nyckelroll i dessa metoder, eftersom det, när det dissocieras till atomärt väte och injiceras i AOS-elektrodens kontaktyta, genererar laddningsbärare och därigenom minskar kontaktmotståndet.

Dessa metoder är dock energikrävande eller kräver flera steg och även om de effektivt adresserar högkontaktresistansen hos den exponerade övre ytan av halvledarna, är de opraktiska för nedgrävda kontakter inom lagringsenheternas komplexa nanoskalaarkitekturer.

För att ta itu med denna fråga har ett team av forskare (biträdande professor Masatake Tsuji, doktorand Yuhao Shi och hedersprofessor Hideo Hosono) från MDX Research Center for Element Strategy vid International Research Frontiers Initiative vid Tokyo Institute of Technology nu utvecklat en roman väteinjektionsmetod. Deras resultat publicerades online i tidskriften ACS Nano den 22 mars 2024.

I denna innovativa metod används en elektrod som består av en lämplig metall, som kan katalysera dissociationen av väte vid låga temperaturer, för att transportera det atomära vätet till AOS-elektrodgränssnittet, vilket resulterar i ett mycket ledande oxidskikt. Att välja lämpligt elektrodmaterial är därför nyckeln för att implementera denna strategi.

Dr. Tsuji förklarar, "Denna metod kräver en metall som har en hög vätediffusionshastighet och vätelöslighet för att förkorta efterbehandlingstiderna och minska bearbetningstemperaturerna. I denna studie använde vi palladium (Pd) eftersom det fyller den dubbla rollen att katalysera vätedissociation och transport, vilket gör det till det mest lämpliga materialet för väteinjektion i AOS TFT:er vid låga temperaturer, även vid djupa interna kontakter."

För att demonstrera effektiviteten av denna metod tillverkade teamet amorf indiumgalliumoxid (a-IGZO) TFT med Pd-tunnfilmselektroder som vätetransportvägar. TFT:erna värmebehandlades i en atmosfär av 5 % väte vid en temperatur av 150°C under 10 minuter. Detta resulterade i transport av atomärt väte av Pd till a-IGZO-Pd-gränssnittet, vilket utlöste en reaktion mellan syre och väte, vilket bildar ett starkt ledande gränssnittsskikt.

Testning avslöjade att på grund av det ledande lagret minskades kontaktresistansen hos TFT:erna med två storleksordningar. Dessutom ökade laddningsbärarens rörlighet från 3,2 cm ² V ^–1 s ^–1 till nästan 20 cm ² V ^–1 s ^–1 , vilket innebär en avsevärd förbättring.

"Vår metod gör det möjligt för väte att snabbt nå oxid-Pd-gränssnittet även i enhetens inre, upp till ett djup av 100 μm. Detta gör det mycket lämpligt för att ta itu med kontaktproblemen med AOS-baserade lagringsenheter", säger Dr. Tsuji. Dessutom bevarade denna metod stabiliteten hos TFT:erna, vilket tyder på inga biverkningar på grund av vätediffusion i elektroderna.

Dr Tsuji understryker studiens potential och avslutar:"Detta tillvägagångssätt är speciellt skräddarsytt för komplexa enhetsarkitekturer, vilket representerar en värdefull lösning för tillämpningen av AOS i nästa generations minnesenheter och bildskärmar." IGZO-TFT är nu en de facto-standard för att driva pixlarna på platta bildskärmar. Den nuvarande tekniken kommer att lägga fram sin tillämpning i minnet.

Mer information: Yuhao Shi et al, Tillvägagångssätt för bildning av lågt kontaktmotstånd på begravda gränssnitt i tunnfilmstransistorer:Användning av Palladium-medierad väteväg, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.4c02101

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology