Wetenschap
Gebruik van palladium voor het aanpakken van contactproblemen van begraven oxide-dunnefilmtransistoren
Dunnefilmtransistors (TFT's) op basis van amorfe oxidehalfgeleiders (AOS's) hebben aanzienlijke aandacht gekregen voor toepassingen in opslagapparaten van de volgende generatie, zoals condensatorloos dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen (DRAM) en DRAM-technologieën met hoge dichtheid. Dergelijke opslagapparaten maken gebruik van complexe architecturen met verticaal gestapelde TFT's om een hoge opslagdichtheid te bereiken.
Ondanks hun potentieel hebben AOS TFT's last van contactproblemen tussen AOS's en elektroden, wat resulteert in een te hoge contactweerstand, waardoor de mobiliteit van de ladingsdragers wordt verslechterd en het stroomverbruik toeneemt. Bovendien verergeren verticaal gestapelde architecturen deze problemen nog verder.
Er zijn veel methoden voorgesteld om deze problemen aan te pakken, waaronder de afzetting van een sterk geleidende oxide-tussenlaag tussen de contacten, het vormen van zuurstofvacatures op het AOS-contactoppervlak en oppervlaktebehandeling met plasma. Waterstof speelt een sleutelrol in deze methoden, omdat het, wanneer het wordt gedissocieerd in atomaire waterstof en geïnjecteerd in het contactgebied van de AOS-elektrode, ladingsdragers genereert, waardoor de contactweerstand wordt verminderd.
Deze methoden zijn echter energie-intensief of vereisen meerdere stappen en hoewel ze effectief de hoge contactweerstand van het blootgestelde bovenoppervlak van de halfgeleiders aanpakken, zijn ze onpraktisch voor verborgen contacten binnen de complexe architectuur van opslagapparaten op nanoschaal.
Om dit probleem aan te pakken heeft een team van onderzoekers (assistent-professor Masatake Tsuji, promovendus Yuhao Shi en ereprofessor Hideo Hosono) van het MDX Research Center for Element Strategy van het International Research Frontiers Initiative van het Tokyo Institute of Technology nu een roman ontwikkeld waterstof injectie methode. Hun bevindingen werden online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano op 22 maart 2024.
Bij deze innovatieve methode wordt een elektrode bestaande uit een geschikt metaal, dat de dissociatie van waterstof bij lage temperaturen kan katalyseren, gebruikt om de atomaire waterstof naar het AOS-elektrode-grensvlak te transporteren, wat resulteert in een sterk geleidende oxidelaag. Het kiezen van geschikt elektrodemateriaal is daarom van cruciaal belang voor het implementeren van deze strategie.
Dr. Tsuji legt uit:"Deze methode vereist een metaal met een hoge waterstofdiffusiesnelheid en waterstofoplosbaarheid om de nabehandelingstijden te verkorten en de verwerkingstemperaturen te verlagen. In dit onderzoek hebben we palladium (Pd) gebruikt omdat het de dubbele rol vervult van het katalyseren van dissociatie en transport van waterstof, waardoor het het meest geschikte materiaal is voor waterstofinjectie in AOS TFT's bij lage temperaturen, zelfs bij diepe interne contacten."
Om de effectiviteit van deze methode aan te tonen, vervaardigde het team amorfe indium-galliumoxide (a-IGZO) TFT's met Pd-dunnefilmelektroden als waterstoftransportroutes. De TFT's werden gedurende 10 minuten met warmte behandeld in een atmosfeer van 5% waterstof bij een temperatuur van 150°C. Dit resulteerde in het transport van atomair waterstof door Pd naar het a-IGZO-Pd-grensvlak, wat een reactie tussen zuurstof en waterstof teweegbracht, waardoor een zeer geleidende grenslaag werd gevormd.
Uit tests bleek dat dankzij de geleidende laag de contactweerstand van de TFT's met twee ordes van grootte werd verminderd. Bovendien is de mobiliteit van de ladingdrager toegenomen van 3,2 cm 2 V –1 s –1 tot bijna 20 cm 2 V –1 s –1 , wat een aanzienlijke verbetering betekent.
"Onze methode maakt het mogelijk dat waterstof snel het oxide-Pd-grensvlak bereikt, zelfs in het interieur van het apparaat, tot een diepte van 100 μm. Dit maakt het zeer geschikt voor het aanpakken van de contactproblemen van op AOS gebaseerde opslagapparaten", merkt Dr. Tsuji op. Bovendien behield deze methode de stabiliteit van de TFT's, wat erop wijst dat er geen bijwerkingen zijn als gevolg van waterstofdiffusie in de elektroden.
Dr. Tsuji benadrukt het potentieel van het onderzoek en concludeert:"Deze aanpak is specifiek op maat gemaakt voor complexe apparaatarchitecturen en vertegenwoordigt een waardevolle oplossing voor de toepassing van AOS in geheugenapparaten en beeldschermen van de volgende generatie." IGZO-TFT is nu een de facto standaard voor het aansturen van de pixels van platte beeldschermen. De huidige technologie zal de toepassing ervan in het geheugen vastleggen.