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调整明天的LCD:探索新型IGZO-11半导体

发布时间:2019-06-27 16:50:05 来源:

铟 - 镓 - 锌氧化物陶瓷用作平板显示器的背板。一组研究人员报告了特定类型的这些半导体InGaZnO4(IGZO-11)的厘米级单晶的合成,具有宽带隙和高电迁移率和导电性等吸引人的特性,这使其成为透明的有希望的候选者光电器件,如可触摸显示器和有机LED。

1985年,日本国家无机材料研究所的Noboru Kimizuka开创了多晶铟 - 镓 - 锌氧化物(IGZO)陶瓷的概念,其中通用化学式(InGaO3)m(ZnO)n(m,n =自然数;以下称为IGZO-mn)。他很少会想到它的好奇电气特性将使电子工业获得许可由这些金属氧化物制成的薄膜晶体管(TFT)用于各种设备,包括可触摸显示器。然而,这并不容易。事实上,即使在今天,纯IGZO晶体的许多特征仍然未知,因为它们难以提取。是什么让他们诱人?

当你在金属上发光时,自由传导的电子会与外部光(电磁波)共振或振动。因此,光波被屏蔽,结果,光不被透射而是被反射。这就是为什么金属虽然是良好的反射器和导体,但通常不是透明的。相比之下,具有大带隙的半导体,例如IGZO,即使在可见光范围内也可以吸收和透射光。通常,大带隙意味着这些类型的材料是绝缘体。使用氧缺陷将载流子注入到具有大带隙的半导体材料中可以产生既透明又导电的材料。

因此,透明和导电使得这些半导体适用于光电器件,就像您正在阅读的那样!此外,基于IGZO的晶体管还具有诸如高电子迁移率,大面积均匀性和低处理温度等优点,这使得可以实现无与伦比的高能效高分辨率。在该IGZO-1n族中,多晶IGZO-11(即InGaZnO4)具有最高的导电率和最大的光学带隙。此外,冯·诺依曼型计算机或简称数字计算机需要“开 - 关状态”电路作为基本构建块,理想的“关闭”状态对应于“零”电流。IGZO-11也在这方面表现出色,

然而,尚未获得足够大的可用于测量其物理性质的IGZO-11单晶。因此,其精确的内在特性尚未开发。受此影响以及具有分层结构的多组分氧化物可以表现出各向异性传导的事实,由Miyakawa教授领导的主要来自东京理科大学的一组研究人员开发了一种新型的单晶生长技术。

合成多组分层状结构的主要挑战是晶体生长期间的复发缺陷形成。此外,材料的物理性质是未知的,这意味着必须精心制作分离晶体的途径。面对IGZO-11在大气压下也可能是不一致的物质(即,结晶固相在熔化过程中分解成第二晶相,与原始晶体和液相不同)的事实,研究小组选择光学浮区(OFZ)来制造水晶。通过增加气体压力,该团队成功地抑制了蒸发和蒸发,并从液相中生长出良好的单晶。

因此,OFZ能够生长高质量的氧化物晶体,而不需要坩埚或容器,这可以更好地控制液体材料所经受的温度和压力。此外,在合成中使用富含锌的进料棒使研究人员能够控制原本会蒸发的ZnO水平,从而使合成无效。

在成功合成晶体后,研究人员研究了它的物理性质。他们观察到新生的水晶颜色呈蓝色。在退火或加热然后在自由气氛和额外的氧气中缓慢冷却时,晶体变得透明。由晶体中的氧空位产生的自由载流子吸收红光并发出蓝光; 因此,当晶体经历退火时,研究人员将这种颜色变化与填充空位的氧气联系起来。

为了完成这个故事,研究人员随后测量了晶体的电导率,迁移率和载流子密度以及它们的温度依赖性。他们指出,退火后的所有电性能均显示出降低。通过后退火,载流子密度和导电率可以在室温下控制在10 17 -10 20 cm -3和2000-1 S cm -1的范围内。他们还报告了载流子密度增加时迁移率的增加,这在之前的某些IGZO-1n薄膜的运输研究中已有提及。这表明异常行为是IGZO-1n家族的固有特征。

有趣的是,该团队注意到沿c轴的电导率(垂直于分层结构中每个平面的轴)比单晶中ab平面(层的平面)的电导率低40倍,并且随着载流子密度的降低,各向异性增加。正如Miyakawa教授所解释的那样,“沿c轴的铟 - 铟距离比沿着ab平面的距离长得多。因此,波函数的重叠在c轴方向上较小。” 由于电子轨道的波函数的重叠程度决定了电子移动的容易程度,研究人员断言这可能是IGZO-11晶体各向异性导电率的起源。

以前,IGZO系列已用于液晶显示器,包括智能手机和平板电脑,事实上,最近也用于大型OLED电视。这种新型材料的导电性和透明性使IGZO脱颖而出。虽然可以直接应用于LED中的IGZO-11制造晶体管仍在进行中,但这项引人入胜的研究标志着更多发现的开始。

所以,你明白为什么IGZO-11很重要或者你看透了吗?

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