Analyse quantitative des états de défauts dans InGaZnO à moins de 2 eV en dessous de la bande de conduction via photo

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13407 (2023) Citer cet article

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Ce travail étudie la fonction de la pression partielle d'oxygène dans la mesure du courant photo-induit des propriétés de défauts étendues liées à la distribution et à la quantité d'états de défauts dans les structures électroniques. Le niveau de Fermi a été ajusté en appliquant un biais de grille négatif dans la structure TFT et la plage mesurable de l'énergie d'activation a été étendue à <2,0 eV. Des calculs basés sur la théorie fonctionnelle de la densité sont utilisés pour étudier les changements dans les caractéristiques des défauts et le rôle des défauts à des niveaux peu profonds et profonds en fonction de la pression partielle d'oxygène. Les caractéristiques du dispositif, telles que la mobilité et le décalage de tension de seuil sous une polarisation de grille négative, ont montré une corrélation linéaire avec le rapport entre la densité de défauts du niveau peu profond et celui du niveau profond. Les défauts peu profonds et profonds sont organiquement liés, et les deux défauts doivent être pris en compte lors de la compréhension des caractéristiques de l’appareil.

En raison de la croissance continue de la technologie de l’Internet des objets (IoT), divers transistors, cellules solaires, diodes électroluminescentes et capteurs ont été miniaturisés et intégrés1. En conséquence, les processus de production sont diversifiés, la structure du dispositif est compliquée et les défauts augmentent. Parmi les divers matériaux utilisés dans les dispositifs, un semi-conducteur à oxyde amorphe (AOS) est un composé essentiel d'un semi-conducteur, en raison de ses propriétés électriques supérieures, de son processus de fabrication à basse température et de sa transparence optique élevée par rapport aux TFT conventionnels à base de silicium2,3. Ainsi, les postes vacants, les inserts et les substituts peuvent agir comme des éléments défectueux4,5. Ces défauts d’oxyde semi-conducteur peuvent agir différemment en tant que donneurs ou sites pièges en fonction du niveau d’énergie6. Les défauts qui agissent comme des pièges à électrons créent des barrières locales, augmentent la diffusion des porteurs, interfèrent avec les courants de dérive et induisent des courants de diffusion7. Par conséquent, il est important de mesurer quantitativement la densité de défauts et l’énergie d’activation afin d’analyser les caractéristiques du dispositif.

Les défauts dans les couches minces AOS peuvent exister à plusieurs niveaux d’énergie et peuvent comporter plus de défauts que ceux signalés précédemment8,9. Cependant, la plage mesurable de la densité de défauts et de l’énergie d’activation est limitée en raison des différences de réactivité électrique et optique selon les matériaux10. De plus, il n’existe aucune méthodologie appropriée permettant d’analyser directement les défauts d’état interfacial entre chaque couche structurelle dont l’existence est déterminée dans le dispositif. Par exemple, avec la méthode de pompe de charge, il est possible de mesurer la densité de défauts et l'énergie d'activation via une modélisation en appliquant une tension de grille sous forme d'impulsion au dispositif. Cependant, étant donné que la courbure de bande en fonction de la tension de grille varie en fonction de la structure du dispositif et des propriétés du canal, la résolution de mesure varie également. La spectroscopie transitoire de niveau profond (DLTS) peut également mesurer quantitativement les défauts en analysant le changement de capacité pendant la charge/décharge en fonction de la température11,12. Dans cette méthode, une comparaison directe avec les caractéristiques du dispositif de la structure TFT est difficile car l'électrode doit être constituée d'un contact Schottky vertical pour mesurer la capacité précise. Dans notre dernière étude, nous avons pu mesurer quantitativement des défauts situés à seulement quelques centaines de meV du minimum de la bande de conduction13. Par conséquent, il existe un besoin pour une méthode capable de mesurer quantitativement les défauts répartis à différents niveaux dans la bande interdite.

Dans cet article, le niveau de Fermi des TFT a-IGZO est ajusté en appliquant un biais de grille négatif pour étendre la plage d'analyse quantitative à l'aide de la spectroscopie transitoire de courant photo-induit (PICTS). Une technique d'apprentissage automatique améliorée avec une haute résolution, une analyse rapide et une fiabilité a été utilisée pour l'analyse des grandes quantités de données obtenues par mesure. De plus, l’origine physique des états de défauts a été étudiée à travers des calculs de théorie fonctionnelle de la densité. Les caractéristiques du dispositif ont été analysées à travers le défaut mesuré et le rôle du défaut a été étudié.