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1985年,日本國家無機(jī)材料研究所的Noboru Kimizuka開創(chuàng)了多晶銦 - 鎵 - 鋅氧化物(IGZO)陶瓷的概念,其化學(xué)通式為(InGaO 3)m(ZnO)n(m, n =自然數(shù);以下稱為IGZO-mn)。他很少會想到它的好奇電氣特性將使電子工業(yè)獲得許可由這些金屬氧化物制成的薄膜晶體管(TFT)用于各種設(shè)備,包括可觸摸顯示器。然而,這并不容易。即使在今天,由于難以提取程序,純IGZO晶體的許多特征仍然未知。是什么讓他們誘人?
當(dāng)你在金屬上發(fā)光時,自由傳導(dǎo)的電子會與外部光(電磁波)共振或振動。因此,光波被屏蔽,結(jié)果,光不被透射而是被反射。這就是為什么金屬雖然是良好的反射器和導(dǎo)體,但通常不是透明的。相比之下,具有大帶隙的半導(dǎo)體,例如IGZO,即使在可見光范圍內(nèi)也可以吸收和透射光。通常,大帶隙意味著這些類型的材料是絕緣體。使用氧缺陷將載流子注入到具有大帶隙的半導(dǎo)體材料中可以產(chǎn)生既透明又導(dǎo)電的材料。
因此,透明和導(dǎo)電使得這些半導(dǎo)體適用于光電器件,就像您正在閱讀的那樣!此外,基于IGZO的晶體管還具有諸如高電子遷移率,大面積均勻性和低處理溫度等優(yōu)點(diǎn),這使得可以實(shí)現(xiàn)無與倫比的高能效高分辨率。在該IGZO-1n族中,多晶IGZO-11(即InGaZnO 4)具有最高的導(dǎo)電率和最大的光學(xué)帶隙。此外,馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)或簡稱數(shù)字計(jì)算機(jī)需要“開 - 關(guān)狀態(tài)”電路作為基本構(gòu)建塊,理想的“關(guān)閉”狀態(tài)對應(yīng)于“零”電流。IGZO-11也在這方面表現(xiàn)優(yōu)異,因?yàn)樗臄鄳B(tài)電流值非常小,這意味著能量損失可以最小化。
然而,尚未獲得足夠大的可用于測量其物理性質(zhì)的IGZO-11單晶。因此,其精確的內(nèi)在特性尚未開發(fā)。受此影響以及具有分層結(jié)構(gòu)的多組分氧化物可以表現(xiàn)出各向異性傳導(dǎo)的事實(shí),由Miyakawa教授領(lǐng)導(dǎo)的主要來自東京理科大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了一種新型的單晶生長技術(shù)。
合成多組分層狀結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)是晶體生長期間的復(fù)發(fā)缺陷形成。此外,材料的物理性質(zhì)是未知的,這意味著必須精心制作分離晶體的途徑。面對IGZO-11在大氣壓下也可能是不一致的物質(zhì)(即,結(jié)晶固相在熔化過程中分解成第二晶相,與原始晶體和液相不同)的事實(shí),研究小組選擇光學(xué)浮區(qū)(OFZ)來制造水晶。通過增加氣體壓力,該團(tuán)隊(duì)成功地抑制了蒸發(fā)和蒸發(fā),并從液相中生長出良好的單晶。
因此,OFZ能夠生長高質(zhì)量的氧化物晶體,而不需要坩堝或容器,這可以更好地控制液體材料所經(jīng)受的溫度和壓力。此外,在合成中使用富含鋅的進(jìn)料棒使研究人員能夠控制原本會蒸發(fā)的ZnO水平,從而使合成無效。
在成功合成晶體后,研究人員研究了它的物理性質(zhì)。他們觀察到新生的水晶顏色呈藍(lán)色。在退火或加熱然后在自由氣氛和額外的氧氣中緩慢冷卻時,晶體變得透明。由晶體中的氧空位產(chǎn)生的自由載流子吸收紅光并發(fā)出藍(lán)光; 因此,當(dāng)晶體經(jīng)歷退火時,研究人員將這種顏色變化與填充空位的氧氣聯(lián)系起來。
為了完成這個故事,研究人員隨后測量了晶體的電導(dǎo)率,遷移率和載流子密度以及它們的溫度依賴性。他們指出,退火后的所有電性能均顯示出降低。通過后退火,載流子密度和導(dǎo)電率可以在室溫下控制在10 17至10 20 cm -3和2000-1 S cm -1的范圍內(nèi)。他們還報(bào)告了載流子密度增加時遷移率的增加,這在之前的某些IGZO-1n薄膜的運(yùn)輸研究中已有提及。這表明異常行為是IGZO-1n家族的固有特征。
有趣的是,該團(tuán)隊(duì)注意到沿c軸的電導(dǎo)率(垂直于分層結(jié)構(gòu)中每個平面的軸)比單晶中ab平面(層的平面)的電導(dǎo)率低40倍,并且隨著載流子密度的降低,各向異性增加。正如Miyakawa教授所解釋的那樣,“沿c軸的銦 - 銦距離比沿著ab平面的距離長得多。因此,波函數(shù)的重疊在c軸方向上較小。” 由于電子軌道的波函數(shù)的重疊程度決定了電子移動的容易程度,研究人員斷言這可能是IGZO-11 晶體各向異性導(dǎo)電率的起源。
以前,IGZO系列已用于液晶顯示器,包括智能手機(jī)和平板電腦,事實(shí)上,最近也用于大型OLED電視。這種新型材料的導(dǎo)電性和透明性使IGZO脫穎而出。雖然可以直接應(yīng)用于LED中的IGZO-11制造晶體管仍在進(jìn)行中,但這項(xiàng)引人入勝的研究標(biāo)志著更多發(fā)現(xiàn)的開始。
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