En 1985, Noboru Kimizuka de l'Institut national de recherche sur les matériaux inorganiques, Le Japon avait lancé l'idée des céramiques polycristallines d'oxyde d'indium-gallium-zinc (IGZO), avec la formule chimique générale (InGaO 3 )m(ZnO)n (m, n =nombre naturel ; ci-après dénommé IGZO-mn). Il n'aurait pas pensé que ses curieuses propriétés électriques amèneraient l'industrie électronique à autoriser des transistors à couche mince (TFT) fabriqués à partir de ces oxydes métalliques pour divers appareils, y compris les écrans tactiles. Cependant, cela n'a pas été facile. Même aujourd'hui, de nombreuses caractéristiques des cristaux d'IGZO purs restent inconnues en raison de leur procédure d'extraction difficile. Alors qu'est-ce qui les rend alléchantes ?

Quand tu éclaires les métaux, les électrons conducteurs libres résonnent ou vibrent avec la lumière extérieure (ondes électromagnétiques). Ainsi, l'onde lumineuse est blindée, et comme résultat, la lumière n'est pas transmise mais réfléchie. C'est pourquoi les métaux ne sont généralement pas transparents alors qu'ils sont de bons réflecteurs et conducteurs. En revanche, semi-conducteurs à large bande interdite, comme IGZO, peut absorber et transmettre la lumière même dans le domaine de la lumière visible. En général, la large bande interdite implique que ces types de matériaux sont des isolants. porteurs d'injection, utilisant des défauts d'oxygène, dans un matériau semi-conducteur avec une large bande interdite peut donner un matériau à la fois transparent et conducteur.

Ainsi, étant à la fois transparents et conducteurs, ces semi-conducteurs conviennent à une utilisation dans des dispositifs optoélectroniques, un peu comme celui sur lequel vous lisez ceci ! Par ailleurs, Les transistors à base d'IGZO ont des avantages supplémentaires tels qu'une mobilité électronique élevée, bonne uniformité sur une grande surface, et basse température de traitement, qui permettent d'atteindre une haute résolution à haut rendement énergétique inégalée. Au sein de cette famille IGZO-1n, IGZO-11 polycristallin (c'est-à-dire InGaZnO 4 ) présente la conductivité la plus élevée et la plus grande bande interdite optique. En outre, ordinateurs de type von Neumann, ou simplement des ordinateurs numériques, nécessitent des circuits électriques "à l'état marche-arrêt" comme blocs de construction de base, avec l'état "off" idéal correspondant à un courant "zéro". L'IGZO-11 excelle également sur ce front, car la valeur du courant à l'état bloqué est extrêmement faible, ce qui implique que la perte d'énergie peut être minimisée.

Cependant, des monocristaux suffisamment gros d'IGZO-11 qui pourraient être utilisés pour mesurer leurs propriétés physiques n'ont pas encore été obtenus. Par conséquent, ses propriétés intrinsèques précises sont inexplorées. Motivé par cela et par le fait qu'un oxyde à plusieurs composants avec une structure en couches pourrait présenter une conduction anisotrope, une équipe de chercheurs, principalement de l'Université des sciences de Tokyo, dirigé par le professeur Miyakawa, a développé une nouvelle technique pour faire croître des monocristaux de ce type.

Le principal défi dans la synthèse de la structure en couches à plusieurs composants est la formation de défauts récurrents pendant la croissance cristalline. Par ailleurs, les propriétés physiques du matériau étaient inconnues, ce qui signifiait que la route pour isoler le cristal devait être méticuleusement tracée à la craie. Face au fait que l'IGZO-11 pourrait également être un matériau incongru sous pression atmosphérique (c'est-à-dire, la phase solide cristalline est décomposée lors du processus de fusion en une seconde phase cristalline, différent du cristal d'origine, et une phase liquide), l'équipe de recherche a opté pour une zone flottante optique (OFZ) pour construire le cristal. En augmentant la pression du gaz, l'équipe a réussi à supprimer l'évaporation et la vaporisation, et faire croître un bon monocristal à partir de la phase liquide.

Ainsi, OFZ a permis la croissance de cristaux d'oxyde de haute qualité sans avoir besoin d'un creuset ou d'un récipient, ce qui permet de mieux contrôler la température et la pression auxquelles le matériau liquide est soumis. En outre, l'utilisation de barres d'alimentation riches en Zn dans la synthèse a permis aux chercheurs de contrôler le niveau de ZnO qui se serait autrement évaporé, rendant la synthèse vaine.

Après avoir réussi la synthèse du cristal, les chercheurs ont étudié ses propriétés physiques. Ils ont observé que le cristal naissant apparaissait de couleur bleuâtre. Lors d'un recuit ou d'un chauffage puis d'un refroidissement lent en atmosphère libre et en oxygène supplémentaire, le cristal est devenu transparent. Les porteurs libres produits par les lacunes d'oxygène dans les cristaux absorbent la lumière rouge et émettent de la lumière bleue; Donc, les chercheurs ont associé le changement de couleur à cet oxygène comblant les lacunes lorsque le cristal a subi un recuit.

Pour terminer le conte, les chercheurs ont ensuite mesuré la conductivité électrique du cristal, mobilité, et la densité des porteurs, et leurs dépendances thermiques. Ils ont noté qu'après le recuit, toutes les propriétés électriques présentaient une diminution. La densité et la conductivité des porteurs pourraient être contrôlées dans la plage de 10 ¹⁷ à 10 ²⁰ cm ^-3 et 2000-1 S cm ^-1 à température ambiante par post-recuit. Ils ont également signalé une augmentation de la mobilité lors de l'augmentation de la densité de porteurs, ce qui a été précédemment noté dans les études de transport pour certains films minces IGZO-1n. Cela suggère que le comportement inhabituel est une caractéristique intrinsèque de la famille IGZO-1n.

De façon intéressante, l'équipe a noté que la conductivité le long de l'axe c (axe perpendiculaire à chaque plan de la structure en couches) est> 40 fois inférieur à celui du plan ab (plan de la couche) dans les monocristaux, et que l'anisotropie augmente avec la diminution de la densité de porteurs. Comme l'explique le professeur Miyakawa, "La distance indium-indium le long de l'axe c est beaucoup plus longue que celle le long du plan ab. Par conséquent, le chevauchement de la fonction d'onde est plus petit dans la direction de l'axe c." Parce que le degré de chevauchement des fonctions d'onde des orbitales électroniques régit la facilité avec laquelle les électrons peuvent se déplacer, les chercheurs affirment que cela pourrait être à l'origine de la conductivité anisotrope des cristaux d'IGZO-11.

Précédemment, la famille IGZO a été utilisée dans les écrans à cristaux liquides, y compris dans les smartphones et les tablettes et, En réalité, récemment également dans les grands téléviseurs OLED. La conductivité électrique et la transparence de ce nouveau matériau distinguent IGZO. Alors que la fabrication de transistors à partir de l'IGZO-11 qui peuvent être directement appliqués dans les LED reste un travail en cours, cette recherche fascinante marque le début de nombreuses autres découvertes.

Donc, voyez-vous pourquoi IGZO-11 est important ou voyez-vous à travers ?