In 1985, Noboru Kimizuka van het Nationaal Instituut voor Onderzoek in Anorganische Materialen, Japan was de pionier van het idee van polykristallijn indium-gallium-zinkoxide (IGZO) keramiek, met de algemene chemische formule (InGaO ₃ )m(ZnO)n (m, n =natuurlijk getal; hierna te noemen IGZO-mn). Hij had niet gedacht dat zijn merkwaardige elektrische eigenschappen de elektronica-industrie ertoe zouden brengen om dunnefilmtransistors (TFT's) die van deze metaaloxiden zijn gemaakt voor verschillende apparaten in licentie te geven, inclusief aanraakbare displays. Echter, dit ging niet gemakkelijk. Zelfs vandaag, veel van de kenmerken van zuivere IGZO-kristallen blijven onbekend vanwege hun moeilijke extractieprocedure. Wat maakt ze dan verleidelijk?

Als je licht laat schijnen op metalen, de vrij geleidende elektronen resoneren of trillen met extern licht (elektromagnetische golven). Dus, de lichtgolf is afgeschermd, en als een resultaat, licht wordt niet doorgelaten maar wordt gereflecteerd. Dit is de reden waarom metalen over het algemeen niet transparant zijn, ondanks dat ze goede reflectoren en geleiders zijn. In tegenstelling tot, halfgeleiders met een grote bandgap, zoals IGZO, kan licht absorberen en doorlaten, zelfs in het zichtbare lichtbereik. In het algemeen, de grote bandafstand impliceert dat dit soort materialen isolatoren zijn. Injecterende dragers, gebruik van zuurstofgebreken, in een halfgeleidermateriaal met een grote bandafstand kan een materiaal opleveren dat zowel transparant als geleidend is.

Dus, omdat ze zowel transparant als geleidend zijn, zijn deze halfgeleiders geschikt voor gebruik in opto-elektronische apparaten, heel erg zoals degene waarop je dit leest! Verder, Op IGZO gebaseerde transistors hebben extra voordelen zoals een hoge elektronenmobiliteit, goede uniformiteit over een groot gebied, en lage verwerkingstemperatuur, die het mogelijk maken om een ​​ongeëvenaarde energie-efficiënte hoge resolutie te bereiken. Binnen deze IGZO-1n-familie, polykristallijn IGZO-11 (d.w.z. InGaZnO ₄ ) vertoont de hoogste geleidbaarheid en de grootste optische bandafstand. In aanvulling, von Neumann-type computers, of gewoon digitale computers, vereisen "aan-uit-status" elektrische circuits als de basisbouwstenen, met de ideale "uit"-toestand die overeenkomt met een "nul" stroom. Ook op dit front blinkt de IGZO-11 uit, omdat de huidige waarde in de off-state ervoor extreem klein is, wat inhoudt dat het energieverlies kan worden geminimaliseerd.

Echter, voldoende grote eenkristallen van IGZO-11 die zouden kunnen worden gebruikt om hun fysische eigenschappen te meten, zijn nog niet verkregen. Daarom, zijn precieze intrinsieke eigenschappen zijn onontgonnen. Gemotiveerd hierdoor en het feit dat een meercomponentenoxide met een gelaagde structuur anisotrope geleiding zou kunnen vertonen, een team van onderzoekers, voornamelijk van de Tokyo University of Science, onder leiding van prof. Miyakawa, heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om eenkristallen van het type te laten groeien.

De belangrijkste uitdaging bij de synthese van de gelaagde structuur met meerdere componenten is de vorming van terugkerende defecten tijdens kristalgroei. Verder, de fysieke eigenschappen van het materiaal waren onbekend, wat betekende dat de route voor het isoleren van het kristal nauwkeurig moest worden uitgestippeld. Geconfronteerd met het feit dat de IGZO-11 ook een incongruent materiaal kan zijn onder atmosferische druk (d.w.z. de kristallijne vaste fase wordt tijdens het smeltproces afgebroken tot een tweede kristalfase, verschillend van het originele kristal, en een vloeibare fase), het onderzoeksteam koos voor optische zwevende zone (OFZ) om het kristal te bouwen. Door de gasdruk te verhogen, het team slaagde erin de verdamping en verdamping te onderdrukken, en het kweken van een goed eenkristal uit de vloeibare fase.

Dus, OFZ maakte de groei van hoogwaardige oxidekristallen mogelijk zonder de noodzaak van een smeltkroes of een container, wat een betere controle geeft over de temperatuur en druk waaraan het vloeibare materiaal wordt blootgesteld. Aanvullend, het gebruik van Zn-rijke voedingsstaaf in de synthese stelde de onderzoekers in staat om het niveau van ZnO te controleren dat anders zou zijn verdampt, waardoor de synthese zinloos wordt.

Na het slagen met de synthese van het kristal, de onderzoekers bestudeerden de fysieke eigenschappen ervan. Ze merkten op dat het ontluikende kristal blauwachtig van kleur leek. Bij gloeien of verhitten en vervolgens langzaam afkoelen in vrije atmosfeer en extra zuurstof, het kristal werd transparant. Vrije dragers geproduceerd door zuurstofvacatures in kristallen absorberen rood licht en zenden blauw licht uit; dus, de onderzoekers associeerden de kleurverandering met deze zuurstof die de vacatures opvulde toen het kristal uitgloeide.

Om het verhaal compleet te maken, de onderzoekers maten vervolgens de elektrische geleidbaarheid van het kristal, mobiliteit, en dragerdichtheid, en hun temperatuurafhankelijkheid. Ze merkten op dat na het gloeien alle elektrische eigenschappen een afname vertoonden. De dragerdichtheid en geleidbaarheid kunnen worden geregeld binnen het bereik van 10 ¹⁷ tot 10 ²⁰ cm ^-3 en 2000-1 S cm ^-1 bij kamertemperatuur door nagloeien. Ze rapporteerden ook een toename van de mobiliteit bij toename van de dragerdichtheid, wat eerder werd opgemerkt in transportstudies voor sommige IGZO-1n dunne films. Dit suggereert dat het ongewone gedrag een intrinsiek kenmerk is van de IGZO-1n-familie.

interessant, het team merkte op dat de geleidbaarheid langs de c-as (as loodrecht op elk vlak in de gelaagde structuur)> 40 keer lager dan dat in het ab-vlak (vlak van de laag) in de eenkristallen, en dat de anisotropie toeneemt met afnemende dragerdichtheid. Zoals Prof Miyakawa uitlegt, "Indium-indium afstand langs de c-as is veel langer dan die langs het ab-vlak. Daarom, de overlap van de golffunctie is kleiner in de richting van de c-as." Omdat de mate van overlap van de golffuncties van elektronische orbitalen bepaalt hoe gemakkelijk elektronen kunnen bewegen, de onderzoekers beweren dat dit de oorsprong zou kunnen zijn van de anisotrope geleidbaarheid voor IGZO-11-kristallen.

Eerder, de IGZO-familie is gebruikt in liquid crystal displays, ook in smartphones en tablets en, in feite, sinds kort ook in grote OLED-televisies. De elektrische geleidbaarheid en transparantie van dit nieuwe materiaal zorgen ervoor dat IGZO opvalt. Terwijl het fabriceren van transistors uit de IGZO-11 die direct kunnen worden toegepast in LED's een werk in uitvoering blijft, dit fascinerende onderzoek markeert het begin van nog veel meer ontdekkingen.

Dus, zie je waarom IGZO-11 belangrijk is of doorzie je het?