北海道大学电子科学研究所的曲勇作助教、太田裕道教授等组成的研究团队与高知工科大学理工学群的古田守教授等人合作发表研究成果称，开发出了一种性能比以往高10倍的实用级别氧化物薄膜晶体管。该技术有望为打造新一代超大型8K有机EL电视开辟道路。相关研究成果已于8月3日发表在国际学术期刊《Small Methods》上。
图1 目前的4K有机EL电视屏幕使用的是迁移率5～10cm²/Vs左右的IGZO-TFT。本研究中，研究团队成功开发出了迁移率为78cm²/Vs的氧化物TFT，可满足新一代8K有机EL电视屏幕的需求。这种材料即使连续施加±20V电压1.5小时，特性也不会发生改变，表现出了极高的稳定性。（供图：北海道大学）
目前的4K有机EL电视使用的是氧化物IGZO薄膜晶体管（由含铟In、镓Ga、锌Zn等金属元素的氧化物薄膜制成的晶体管），其电子迁移率在5～10 cm²/Vs左右，而新一代8K显示器则需要超过70 cm²/Vs的电子迁移率。
为了满足这一需求，研究团队此前通过使用氧化铟薄膜作为活性层，成功开发出了电子迁移率达140 cm²/Vs的TFT（薄膜晶体管）。然而，这种晶体管存在着稳定性较差的问题，其原因被认为是活性层薄膜表面吸附的空气中的气体会随着电压的施加而脱离或吸附所致。
而在此次研究中，研究团队通过在活性层薄膜表面紧密覆盖保护膜，防止吸附空气中的气体，从而制造出了稳定的TFT。
研究团队以与氧化铟具有相同晶体结构的氧化钇和氧化铒等稀土氧化物为中心探讨制作保护膜，并与常规的氧化铝保护膜等进行了性能比较。
结果显示，使用氧化钇和氧化铒作为保护膜的TFT有极高的稳定性，其电子迁移率为78 cm²/Vs。而通常使用氧化铪或氧化铝作为保护膜的TFT未能提高稳定性。
通过电子显微镜观察原子排列后，研究人员发现，氧化铟与氧化钇在原子层面上实现了紧密结合（异质外延生长）。相反，其他稳定性较差的TFT中，界面则为非晶结构。
由此，研究团队通过在原子水平上紧密保护氧化铟表面，成功地抑制了气体的吸附和脱离，在保持高电子迁移率的同时大幅提升了晶体管的稳定性。
曲助教表示：“在氧化物半导体领域，目前产业界广泛应用的材料还局限于非晶结构的InGaZnO4（a-IGZO）。此次，我们通过在原子水平上紧密结合的保护膜覆盖氧化铟表面的方法，改善了稳定性，实现了实用级别的高迁移率氧化铟薄膜晶体管。今后，将与企业等共同推进实用化开发，如果不快速推进，就有可能会被韩国、中国大陆及台湾抢先实用化。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Small Methods
论文：Reliable Operation in High-Mobility Indium Oxide Thin Film Transistors
DOI：10.1002/smtd.202400578
