Transistors à couche mince à oxyde métallique (TFT), qui sont construits par dépôt de couches minces d'un matériau semi-conducteur à base d'oxyde métallique actif sur un substrat support, sont devenus très répandus ces dernières années, en particulier dans les affichages à diodes électroluminescentes organiques. La plupart des dispositifs disponibles dans le commerce incorporant ces transistors reposent actuellement sur des oxydes métalliques traités à l'aide de techniques de dépôt physique en phase vapeur.

Des études récentes suggèrent qu'il pourrait y avoir des moyens plus rentables de fabriquer des TFT, par exemple, en utilisant des processus basés sur des solutions. Jusque là, cependant, ces procédés ont produit des transistors à faible mobilité des porteurs et à des stabilités de fonctionnement peu satisfaisantes.

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST) en Arabie saoudite, Université d'Oxford au Royaume-Uni, et plusieurs autres institutions dans le monde ont récemment réussi à fabriquer des transistors à oxyde avec une mobilité électronique élevée et une stabilité opérationnelle en utilisant des méthodes de dépôt en solution. Dans leur étude, présenté dans Nature Électronique , ils ont utilisé des canaux multicouches traités en solution constitués de couches ultrafines d'oxyde d'indium, nanoparticules d'oxyde de zinc, polystyrène traité à l'ozone et oxyde de zinc compact.

« Nous travaillons à la résolution d'un problème de longue date auquel les transistors à couche mince (TFT) oxyde-semiconducteur sont confrontés depuis leur invention :la stabilité opérationnelle, " Yen-Hung Lin, l'un des chercheurs principaux qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. « Cela provient des propriétés du matériau - d'abondants défauts non stoechiométriques, qui sont responsables de la conductivité des semi-conducteurs d'oxyde. Cependant, ces défauts sont préjudiciables à la stabilité de l'appareil en fonctionnement continu pendant de longues heures."

Dans une série d'études antérieures, la même équipe de chercheurs a fabriqué des TFT multicouches oxyde-semi-conducteurs qui fonctionnent remarquablement bien, en utilisant différentes solutions. Ils ont également créé une architecture multicouche qui imite essentiellement les transistors conventionnels à haute mobilité électronique (HEMT) pour créer une "échelle énergétique".

Dans cette architecture multicouche, les électrons à haute mobilité sont confinés entre l'oxyde d'indium et l'oxyde de zinc, créer une solution traitée de manière atomique, hétérointerfaces oxyde-oxyde. Dans leur récent article, les chercheurs montrent que l'ajout d'une couche de polystyrène de quelques nanomètres d'épaisseur traitée aux UV-ozone à cette structure peut efficacement passiver les défauts aux hétérointerfaces oxyde-oxyde, ce qui a altéré les performances de leurs TFT multicouches précédemment développés.

"Nous avons également incorporé des nanoparticules d'oxyde de zinc ou des nanoparticules d'oxyde de zinc dopées à l'aluminium dans la couche de polystyrène pour améliorer encore les performances et la stabilité opérationnelle du dispositif, " expliqua Lin.

La nouvelle approche pour fabriquer des TFT à oxyde introduite par le Dr Lin, Le professeur Thomas Anthopoulos et ses collègues est simple et efficace. L'un de ses principaux avantages est qu'il repose sur des matériaux peu coûteux pouvant être traités en solution, y compris le nitrate d'indium, poudre d'oxyde de zinc, nanoparticules d'oxyde de zinc et nanoparticules d'oxyde de zinc dopées à l'aluminium.

Les TFT peuvent également être réalisés sur des substrats souples, comme les polymères ou le papier, car les dispositifs sont fabriqués à 200 degrés C. Les chercheurs ont découvert que les transistors résultants ont la stabilité opérationnelle la plus élevée signalée dans la littérature jusqu'à présent dans l'une des conditions de test les plus difficiles (c'est-à-dire, Fonctionnement continu de 24 heures avec une densité de flux électrique élevée).

« Nous avons découvert un moyen efficace de fournir une basse température, développé en solution, transistor à couche mince haute performance avec une stabilité de fonctionnement sans précédent en combinant des matériaux organiques, qui sont souvent les matériaux de prédilection pour l'électronique flexible, et semi-conducteurs d'oxyde, " dit Lin. " Oxyde d'indium gallium zinc (IGZO), qui est actuellement le matériau en place pour les transistors à couches minces dans la génération post-amorphe de silicium, remplace rapidement le silicium amorphe comme matériau principal pour l'industrie mondiale de l'affichage, bien qu'il nécessite généralement soit un processus sous vide, soit une température élevée."

À l'avenir, les nouveaux transistors hybrides organiques métal-oxyde introduits par Lin et ses collègues pourraient grandement faire progresser le développement de l'électronique flexible. En réalité, par rapport à d'autres matériaux pouvant être traités en solution, les semi-conducteurs à oxyde sont plus faciles à fabriquer, atteignant souvent de meilleures performances électriques que les autres technologies concurrentes. Par exemple, les semi-conducteurs à oxyde sont plus simples à produire et plus performants que les matériaux 2-D traités en solution, ce qui les rend plus adaptés à la plupart des applications bas de gamme.

"À l'avenir, nous prévoyons d'étendre l'application de nos canaux semi-conducteurs à oxyde organique multicouche à d'autres dispositifs électroniques et optoélectroniques (par exemple, diodes radiofréquence, photodétecteurs) en raison de leurs performances élevées et de leur stabilité de fonctionnement, " a déclaré Lin. "Nous prévoyons également de fabriquer des transistors et des circuits intégrés en utilisant d'autres évolutifs, techniques de fabrication à haut débit (par exemple impression ou pulvérisation), qui pourraient être utilisées dans de nombreuses technologies émergentes, tels que les écrans flexibles et les capteurs biochimiques, parmi beaucoup d'autres."

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