Análise quantitativa de estados de defeito em InGaZnO dentro de 2 eV abaixo da banda de condução via foto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13407 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este trabalho investiga a função da pressão parcial de oxigênio na medição de corrente fotoinduzida de propriedades de defeitos estendidos relacionados à distribuição e quantidade de estados de defeitos em estruturas eletrônicas. O nível de Fermi foi ajustado aplicando um viés de porta negativo na estrutura do TFT, e a faixa mensurável de energia de ativação foi estendida para <2,0 eV. Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade são usados ​​para investigar as mudanças nas características dos defeitos e o papel dos defeitos em níveis rasos e profundos em função da pressão parcial de oxigênio. As características do dispositivo, como mobilidade e mudança de tensão limite sob uma polarização de porta negativa, mostraram uma correlação linear com a razão entre a densidade de defeitos de nível raso e de nível profundo. Os defeitos de nível superficial e profundo estão organicamente relacionados e ambos os defeitos devem ser considerados ao compreender as características do dispositivo.

Devido ao crescimento contínuo da tecnologia da Internet das Coisas (IoT), vários transistores, células solares, diodos emissores de luz e sensores foram miniaturizados e integrados1. Assim, os processos de produção são diversificados, a estrutura do dispositivo é complicada e os defeitos aumentam. Entre vários materiais utilizados em dispositivos, um semicondutor de óxido amorfo (AOS) é um composto essencial de um semicondutor, devido às propriedades elétricas superiores, processo de fabricação em baixa temperatura e alta transparência óptica em comparação com TFTs convencionais à base de silício . Assim, vagas, inserções e substitutos podem funcionar como elementos defeituosos4,5. Esses defeitos de semicondutores de óxido podem atuar de maneira diferente como doadores ou locais de armadilha, dependendo do nível de energia . Defeitos que atuam como armadilhas de elétrons criam barreiras locais, aumentam o espalhamento de portadores, interferem nas correntes de deriva e induzem correntes de difusão7. Portanto, é significativo medir quantitativamente a densidade do defeito e a energia de ativação para analisar as características do dispositivo.

Defeitos em filmes finos AOS podem existir em vários níveis de energia e podem ter mais defeitos do que relatado anteriormente8,9. No entanto, a faixa mensurável da densidade do defeito e da energia de ativação é limitada devido a diferenças na reatividade elétrica e óptica de acordo com os materiais . Além disso, não existe uma metodologia adequada que possa analisar diretamente os defeitos de estado interfacial entre cada camada estrutural, que se determina existir no dispositivo. Por exemplo, com o método da bomba de carga é possível medir a densidade do defeito e a energia de ativação por meio de modelagem, aplicando uma tensão de porta como um pulso ao dispositivo. No entanto, como a curvatura da banda em função da tensão da porta varia dependendo da estrutura do dispositivo e das propriedades do canal, a resolução da medição também varia. A espectroscopia transitória de nível profundo (DLTS) também pode medir quantitativamente os defeitos, analisando a mudança na capacitância durante a carga/descarga em função da temperatura . Neste método, a comparação direta com as características do dispositivo da estrutura do TFT é difícil porque o eletrodo deve ser colocado em contato Schottky vertical para medir a capacitância precisa. Em nosso último estudo, conseguimos medir quantitativamente defeitos a apenas algumas centenas de meV do mínimo da banda de condução . Portanto, existe a necessidade de um método que possa medir quantitativamente os defeitos distribuídos em vários níveis no bandgap.

Neste artigo, o nível de Fermi de TFTs a-IGZO é ajustado aplicando um viés de porta negativo para estender a faixa de análise quantitativa usando espectroscopia transitória de corrente foto-induzida (PICTS). Uma técnica aprimorada de aprendizado de máquina com alta resolução, análise rápida e confiabilidade foi utilizada para a análise das grandes quantidades de dados obtidos por medição. Além disso, a origem física dos estados de defeito foi investigada através de cálculos da teoria do funcional da densidade. As características do dispositivo foram analisadas através do defeito medido e o papel do defeito foi investigado.