Quantitative Analyse von Defektzuständen in InGaZnO innerhalb von 2 eV unterhalb des Leitungsbandes mittels Foto

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13407 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Diese Arbeit untersucht die Funktion des Sauerstoffpartialdrucks bei der photoinduzierten Strommessung erweiterter Defekteigenschaften im Zusammenhang mit der Verteilung und Menge von Defektzuständen in elektronischen Strukturen. Das Fermi-Niveau wurde durch Anlegen einer negativen Gate-Vorspannung in der TFT-Struktur angepasst und der messbare Bereich der Aktivierungsenergie auf < 2,0 eV erweitert. Berechnungen auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie werden verwendet, um die Veränderungen der Defekteigenschaften und die Rolle von Defekten in flachen und tiefen Ebenen als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks zu untersuchen. Geräteeigenschaften wie Mobilität und Schwellenspannungsverschiebung unter einer negativen Gate-Vorspannung zeigten eine lineare Korrelation mit dem Verhältnis der Defektdichte auf flachem Niveau zu tiefem Niveau. Defekte auf flacher und tiefer Ebene hängen organisch zusammen und beide Defekte müssen beim Verständnis der Geräteeigenschaften berücksichtigt werden.

Aufgrund des kontinuierlichen Wachstums der Internet-of-Things-Technologie (IoT) wurden verschiedene Transistoren, Solarzellen, Leuchtdioden und Sensoren miniaturisiert und integriert1. Dementsprechend sind die Produktionsprozesse vielfältiger, der Aufbau des Geräts kompliziert und die Mängel nehmen zu. Unter den verschiedenen Materialien, die in Geräten verwendet werden, ist ein amorpher Oxidhalbleiter (AOS) eine wesentliche Verbindung eines Halbleiters, da er im Vergleich zu herkömmlichen TFTs auf Siliziumbasis überlegene elektrische Eigenschaften, einen Herstellungsprozess bei niedriger Temperatur und eine hohe optische Transparenz aufweist2,3. Daher können Vakanzen, Einsätze und Vertretungen als fehlerhafte Elemente wirken4,5. Diese Oxidhalbleiterdefekte können je nach Energieniveau unterschiedlich als Donatoren oder Einfangstellen fungieren6. Defekte, die als Elektronenfallen fungieren, erzeugen lokale Barrieren, erhöhen die Ladungsträgerstreuung, stören Driftströme und induzieren Diffusionsströme7. Daher ist es wichtig, die Defektdichte und Aktivierungsenergie quantitativ zu messen, um die Geräteeigenschaften zu analysieren.

Defekte in AOS-Dünnfilmen können auf verschiedenen Energieniveaus auftreten und möglicherweise mehr Defekte aufweisen als bisher berichtet8,9. Allerdings ist der messbare Bereich der Defektdichte und Aktivierungsenergie aufgrund der Unterschiede in der elektrischen und optischen Reaktivität je nach Material begrenzt10. Darüber hinaus gibt es keine geeignete Methode, um die Grenzflächenzustandsdefekte zwischen den einzelnen Strukturschichten, die im Gerät nachweislich vorhanden sind, direkt zu analysieren. Mit der Ladungspumpenmethode können beispielsweise die Defektdichte und die Aktivierungsenergie durch Modellierung gemessen werden, indem eine Gate-Spannung als Impuls an das Gerät angelegt wird. Da jedoch die Bandbiegung als Funktion der Gate-Spannung je nach Gerätestruktur und Kanaleigenschaften variiert, variiert auch die Messauflösung. Mit der Deep-Level-Transient-Spektroskopie (DLTS) können Defekte auch quantitativ gemessen werden, indem die Kapazitätsänderung während des Ladens/Entladens als Funktion der Temperatur analysiert wird11,12. Bei dieser Methode ist ein direkter Vergleich mit den Geräteeigenschaften der TFT-Struktur schwierig, da die Elektrode als vertikaler Schottky-Kontakt hergestellt werden muss, um die genaue Kapazität zu messen. In unserer letzten Studie konnten wir Defekte quantitativ messen, die nur wenige hundert MeV vom Leitungsbandminimum entfernt waren13. Daher besteht Bedarf an einer Methode, mit der Defekte, die auf verschiedenen Ebenen in der Bandlücke verteilt sind, quantitativ gemessen werden können.

In diesem Artikel wird das Fermi-Niveau von a-IGZO-TFTs durch Anlegen einer negativen Gate-Vorspannung angepasst, um den Bereich der quantitativen Analyse mithilfe der photoinduzierten Stromtransientenspektroskopie (PICTS) zu erweitern. Für die Analyse der großen Datenmengen, die durch Messungen gewonnen wurden, wurde eine verbesserte Technik des maschinellen Lernens mit hoher Auflösung, schneller Analyse und Zuverlässigkeit verwendet. Darüber hinaus wurde der physikalische Ursprung von Defektzuständen durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die Eigenschaften des Geräts wurden anhand des gemessenen Defekts analysiert und die Rolle des Defekts untersucht.

Bei der Herstellung der unteren Gate-Struktur von a-IGZO-TFTs dienten ein stark dotierter Si-Wafer vom p-Typ und eine 100 nm dicke SiO2-Schicht als jeweilige Gate-Elektrode und Gate-Isolator. Eine 20 nm dicke aktive a-IGZO-Schicht wurde durch Hochfrequenz-(RF)-Magnetronsputtern von einem IGZO-Target (In:Ga:Zn = 1:1:1 at. %) bei Raumtemperatur (300 K) abgeschieden. Ein wichtiger Parameter bei der Abscheidung ist der Sauerstoffpartialdruck (\({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\)). Dies gibt den Sauerstoffdurchfluss im Verhältnis zum Gesamtdurchfluss aller vorhandenen Gase an. Wir haben drei TFTs mit unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücken hergestellt, um zu untersuchen, wie sich dies auf die Eigenschaften der resultierenden Geräte auswirken würde. Während der Abscheidung der a-IGZO-Schicht wurde der \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) beim Sputtern auf 0, 10 oder 60 % eingestellt Verfahren. Dann wurde 100 nm dickes ITO mit einer Metallschattenmaske als Quelle/Drain (Breite/Länge = 800/200 um) durch DC-Magnetronsputtern strukturiert. Schließlich wurden die a-IGZO-TFTs 1 Stunde lang bei 350 °C in einer Umgebungsluftatmosphäre unter Verwendung eines Ofensystems getempert.

Abbildung 1a zeigt eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Um die Defektzustände mithilfe von PICTS quantitativ zu analysieren, bestrahlten UV-LEDs (λ = 275 ± 12 nm) die a-IGZO-TFTs regelmäßig mit einem Impulsgenerator. Um die Fotoreaktionen entsprechend der LED zu messen, die nur im Kanal auftreten, wurde die Größe des Lichts durch ein Mikroskop mit 10-facher Vergrößerung auf eine Kreisform mit einem Durchmesser von 100 µm eingestellt und auf den Kanalbereich fokussiert. Wenn der LED-Impuls auf den Kanal des Geräts strahlt, werden Elektronen im Valenzband in das Leitungsband angeregt und bewirken einen lokalen Anstieg der Leitfähigkeit abhängig von den Generierungs- und Rekombinationsprozessen. Nachdem der LED-Impuls ausgeschaltet wurde, wird das Signal aufgrund der schnellen Rekombination der erzeugten überschüssigen Träger schnell reduziert. Darauf folgt ein langsamer abklingender Teil, da im Defektzustand gefangene Ladungsträger wieder emittiert werden14. Durch die Analyse dieses Signals mit der Laplace-Transformation kann die Abklingkonstante der entfallenen Träger direkt ermittelt werden. Der Abbau dieser Ladungsträger wird durch die im Defekt eingeschlossene Konzentration und Energie bestimmt und ist von der Messtemperatur abhängig15. Wenn daher die Zeitkonstante nach der Messung des Übergangsstroms bei verschiedenen Temperaturen analysiert wird, können die Konzentration und Aktivierungsenergie des Defekts berechnet werden. In dieser Arbeit wurde die Temperatur mit flüssigem Stickstoff im Bereich von 77 bis 300 K kontrolliert. Abbildung 1b zeigt die Bandbiegung, die der negativen Gate-Vorspannung entspricht. Wenn an das Gate des a-IGZO-TFT eine Gate-Vorspannung von Null angelegt wird, sind die Fermi-Pegel (EF) von a-IGZO und Gate ausgeglichen und einige Defektzustände an der Spitze von EF sind unbesetzt. Wenn eine negative Vorspannung angelegt wird, wird der EF aufgrund der Bandbiegung in Richtung der Mitte der Bandlücke verschoben und die meisten Defektzustände sind unbesetzt16. PICTS ist eine Methode zur Messung des Übergangsstroms, wenn die im Defekt gefangenen Elektronen freigesetzt werden, nachdem der unbesetzte Defektzustand mit Licht gefüllt wird17. Wenn daher eine negative Gate-Vorspannung verwendet wird, um den besetzten Defektzustand durch Ändern des EF zu löschen, kann das PICTS zur Messung der Defekte auf einem erweiterten Niveau verwendet werden.

(a) Schematische Darstellung des PICTS-Versuchsprinzips, (b) Bandbiegung des a-IGZO-TFT unter Gate-Vorspannung.

Die Geräteeigenschaften der a-IGZO-TFTs wurden mit einem Halbleiterparameteranalysator gemessen. Der Drain-Strom (ID) wurde bei einem Gate-Spannungsdurchlauf (VG) von –10 bis 90 V gemessen.

Um die Entstehung und Rolle sauerstoffbedingter Defekte im IGZO-System vorherzusagen, führten wir Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) mit dem Vienna Ab-initio-Simulationspaket (VASP) und dem PBEsol-Funktional durch18,19. Zunächst haben wir drei amorphe Modelle durch einen Schmelzabschreckprozess mit einer Ab-initio-Molekulardynamiksimulation (MD) generiert. Während der MD-Simulation wird ein NPT-Ensemble mit einem Langevin-Thermostat, einem Gamma-K-Punkt und einer Grenzenergie von 500 eV verwendet20. Ein Modell enthält 20 Indium-, 20 Gallium-, 20 Zink- und 80 Sauerstoffatome zur Darstellung von IGZO in der Stöchiometrie 1:1:1:4, während andere Modelle 20 Indium-, 20 Gallium-, 20 Zink- und 79 oder 78 Sauerstoffatome zur Darstellung enthalten Sauerstoffmangel IGZO. In der ersten Stufe wird simuliert, dass beide Systeme bei 3000 K für 12 ps mit einem 3-fs-Schritt schmelzen. Nach dem Schmelzen wird die MD-Simulation ausgeführt, um von 2000 auf 300 K mit 50 K/ps während 54 ps und einem 3-fs-Schritt abzukühlen. Bei der MD-Simulation werden der Gamma-K-Punkt und eine Grenzenergie von 500 eV verwendet. Nach der MD-Simulation werden die Systeme geometrisch optimiert, bis die 0,01 eV/Å-Bedingung erfüllt ist. Bei der geometrischen Optimierung werden 2 \(\times \) 2 \(\times \) 2 k-Punkte, 500 eV Grenzenergie und PBESol-Funktion verwendet. Aus der optimierten Struktur wurde die elektronische Struktur von IGZO mit 2 \(\times \) 2 \(\times \) 2 k-Punkten, 500 eV Grenzenergie und HSE06-Hybridfunktion berechnet21. Die Bildungsenergie des Sauerstoffmangels (\({\mathrm{E}}_{\mathrm{Sauerstoff}}\)) in neutralem IGZO wird unter der Annahme berechnet, dass Sauerstoffatome vom IGZO dissoziieren und sich n Sauerstoffmoleküle (O2) bilden. .

Um den Ladeeffekt auf IGZO zu simulieren, wurden Berechnungen mit den Ladezuständen -2, -1, 0, 1, 2 unter denselben Bedingungen durchgeführt. Die Bildungsenergie der Ladungszustände (\({\mathrm{E}}_{\mathrm{Laden}}\)) in Bezug auf neutrale Zustände wird aus der folgenden Gleichung22 berechnet

Dabei ist E(q) die Gesamtenergie der Superzelle mit der Ladung q, E(n) die Gesamtenergie einer neutralen Superzelle, \(\upmu \)e das chemische Potential des Elektrons und \(\Delta \)V ist die Energieniveauverschiebung des Valenzbandmaximums. Daher wird die gesamte Bildungsenergie gegenüber dem chemischen Potential des Elektrons aus der Gleichung berechnet.

Abbildung 2 zeigt die quantitativ gemessene Defektdichte und Aktivierungsenergie vor und nach Anlegen einer negativen Gate-Vorspannung an einen IGZO-TFT mit \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) von 0 %. Bei Anlegen einer Gate-Vorspannung von Null wurden Defekte bis < 1,0 eV vom Leitungsband gemessen. Zusätzlich wurden Defekte bis < 1,5 eV vom Leitungsband nach Anlegen einer negativen Gate-Vorspannung von –5 V und weiter bis < 2,0 eV vom Leitungsband nach Anlegen einer negativen Gate-Vorspannung von –10 V gemessen. Als sich die Gate-Vorspannung von 0 änderte auf –5 bis –10 V änderte sich die Defektdichte nicht und mit zunehmender Gate-Vorspannung vergrößerte sich nur der messbare Bereich der Defekte. Nach einer erneuten Messung mit einer Gate-Vorspannung von Null entsprachen die Aktivierungsenergie und die Defektdichte den ursprünglich gemessenen Werten. Somit ist ersichtlich, dass sich der messbare Bereich aufgrund der Änderung des Fermi-Niveaus erweitert, wenn eine negative Gate-Vorspannung angelegt wird, ohne dass sich die physikalischen/chemischen Eigenschaften des Kanals ändern.

Änderungen der Aktivierungsenergie und Defektdichte vor und nach Anlegen der negativen Gate-Vorspannung eines a-IGZO-TFT mit einem Sauerstoffpartialdruck von 0 %.

Abbildung 3 zeigt den erweiterten Defektmessbereich bei Anwendung einer negativen Gate-Vorspannung von a-IGZO-TFTs als Funktion von \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) für Bei einer an einen IGZO-TFT angelegten negativen Gate-Vorspannung lag der Maximalwert, bei dem bei Einwirkung von UV-Licht kein Geräteausfall auftritt, bei –10 V, –20 V bzw. –30 V. Bei allen a-IGZO-TFTs erweiterte sich der Defektmessbereich auf < 2,0 eV, wenn eine negative Gate-Vorspannung angelegt wurde. Die Defektdichte der flachen und tiefen Ebenen nahm mit zunehmendem \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) ab. Diese Defektänderungen können Auswirkungen auf die Geräteeigenschaften haben. Alle Defektzustände innerhalb der Bandlücke können als Stellen zum Einfangen und Streuen von Elektronen fungieren und die Mobilität des Geräts beeinträchtigen, sie können jedoch je nach Defektdichte und Aktivierungsenergie unterschiedliche Rollen und Auswirkungen auf den TFT haben. Aus früheren Studien können flache Defektniveaus und tiefe Defektniveaus basierend auf ~ 0,25 eV beim Leitungsbandminimum klassifiziert werden23,24. Wenn die Aktivierungsenergie im Leitungsband weniger als 0,25 eV beträgt, handelt es sich um einen Defekt auf flachem Niveau, und die in diesem Defekt gefangenen Elektronen können bei Raumtemperatur leicht wieder entfernt werden und als Ladungsträger fungieren. Wenn die Aktivierungsenergie im Leitungsband über 0,25 eV liegt, handelt es sich um einen Defekt auf tiefer Ebene, in dem Elektronen gefangen sind25. Die eingefangenen Elektronen werden während des Gerätebetriebs freigesetzt und können die Streuung von Ladungsträgern verstärken und deren Mobilität verringern.

Der erweiterte Defektmessbereich durch Anwenden der negativen Gate-Vorspannung von a-IGZO-TFTs als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks.

Abbildung 4a und b zeigen die Verschiebung der Übertragungskurve und die Änderung der Schwellenspannung (Vth) der a-IGZO-TFTs als Funktion von \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{ 2}}\) unter einer negativen Gate-Vorspannung von −20 V für 10800 s. Als \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) von 0 auf 10 auf 60 % anstieg, erhöhte sich die Schwellenspannung (Vth) von 2,02 auf 20,07 auf 57,67 V. Diese Anstiege waren auf eine Abnahme der Trägerkonzentration auf dem Kanal zurückzuführen. Die μFE verringerte sich von 15,05 auf 5,51 auf 0,46 cm2/V∙s, und der Subthreshold-Swing (SS) stieg von 0,44 auf 0,83 auf 1,52 V/Dekade als \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O }}_{2}}\) von 0 auf 10 bzw. 60 % erhöht. Die mit höherem \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) hergestellten TFTs zeigten eine größere Verschiebung in die negative Richtung der Übertragungskurve, ohne dass sich μFE und SS änderten Werte. Die Verschlechterung der Geräteleistung, wie z. B. ein erhöhter SS-Wert, eine verringerte Mobilität und eine erhöhte Bias-Instabilität (∆Vth), wird durch die Defektdichte und ihre Aktivierungsenergie beeinflusst. Aus den Ergebnissen früherer Studien ist bekannt, dass die Zufuhr von zusätzlichem Sauerstoff während des Prozesses die Defekte im Kanal reduziert und die Geräteeigenschaften verbessert26,27. Allerdings verringerte sich die Gesamtdefektdichte auf 1,08 × 1019, 5,41 × 1017 und 2,85 × 1017 cm−3, da \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) erhöht, aber die Geräteeigenschaften verschlechterten sich. Um die TFT-Eigenschaften zu verstehen, ist daher eine detaillierte Analyse der Kanaldefekte erforderlich.

(a) Übertragungseigenschaften, (b) Verschiebung der Schwellenspannung des a-IGZO-TFTs unter der negativen Gate-Vorspannung als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks.

Abbildung 5a zeigt die Konzentration der Defekte auf den flachen und tiefen Defekten und das Verhältnis jedes Defekts als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks der Abscheidung. Als \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) von 0 auf 10 auf 60 % anstieg, nahm die Dichte von Defekten auf flachem und tiefem Niveau ab. In früheren Studien nahm die Ladungsträgerkonzentration im Kanal mit abnehmendem Defektniveau ab. Dies stimmte mit dem Ergebnis überein, dass Vth in den Eigenschaften des Geräts mit zunehmendem \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) zunahm. Mit zunehmendem \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) verringerte sich jedoch die Beweglichkeit des Geräts trotz der Abnahme tiefer Defekte. Dies zeigt einen anderen Trend als herkömmliche Interpretationen von Defekt- und Mobilitätskorrelationen auf tiefer Ebene. Daher ist eine neue Interpretation der Kanaldefektanalyse erforderlich, was bedeutet, dass die Defekte stark miteinander verknüpft sind. Es ist notwendig, die Geräteeigenschaften auf der Grundlage des relativen Dichteverhältnisses (\({D}_{Deep}/{\mathrm{D}}_{Shallow}\)) des tiefen Defektbereichs und des flachen Defektbereichs zu vergleichen. Abbildung 5b und c zeigen die Mobilität als Funktion der \({D}_{Deep}/{D}_{Shallow}\)- und ΔVth-Eigenschaften in NBS. \({D}_{Deep}/{D}_{Shallow}\) und die Mobilität stehen in umgekehrter Beziehung zueinander, was bedeutet, dass je größer der Einfluss des Defekts auf tiefem Niveau im Vergleich zur Trägerkonzentration oder dem Defekt auf flachem Niveau im Gerät ist, desto geringer ist die Mobilität. Mit zunehmendem \({D}_{Deep}/{D}_{Shallow}\) verschlechtert sich die Zuverlässigkeit des Geräts, was bedeutet, dass ein tiefer Defekt im Dünnfilm die Zuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigt. Darüber hinaus wurde beim Vergleich von \({D}_{Deep}/{D}_{Shallow}\) und den Geräteeigenschaften bei Null-Vorspannung und negativer Vorspannung deutlich ein linearer Trend beobachtet, wenn der Messbereich erweitert wurde Anlegen einer negativen Vorspannung an das Gate des Geräts. Daher können die Eigenschaften des TFT durch die erweiterte Defektmessung genauer beschrieben werden.

(a) Defektdichte auf flacher Ebene, Defektdichte auf tiefer Ebene und Defektverhältnis, (b) Korrelation zwischen Defektverhältnis und Feldeffektmobilität und (c) Korrelation zwischen Defektverhältnis und Verschiebung der Schwellenspannung unter der negativen Gate-Vorspannungsspannung des a-IGZO-TFTs als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks.

Abbildung 6a zeigt die Bildungsenergie geladener Zustände als Funktion des Fermi-Niveaus (chemisches Potential eines Elektrons). Wie in Abbildung (a) gezeigt, sind die Zustände +2 und +1 stabil, wenn ein (In20Ga20Zn20O79) oder zwei (In20Ga20Zn20O78) Sauerstoffatome im IGZO-System fehlen. Im IGZO-System fungiert die Sauerstofflücke (Sauerstoffmangel) als Donor, der Elektronen in das System einbringt und positiv geladen wird. Unter Berücksichtigung des Fermi-Niveaus von IGZO dominieren + 1 Ladungszustände in IGZO, wenn es mit \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) 0 % synthetisiert wird. Abbildung 6b–d zeigt die Änderung der Zustandsdichte von CBM entsprechend der Sauerstoffmenge in InGaZnO. Wenn das Fermi-Niveau durch Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks während der Abscheidung oder Gate-Vorspannung abnimmt, wird der Anteil der +2 Ladungszustände größer28. Durch die Senkung des Fermi-Niveaus im System werden Defektzustände tiefer Ebenen, die durch Sauerstoffmangel entstehen, zu Leerzuständen und Streuquellen für den Ladungsträgertransport. Wenn daher der Sauerstoffpartialdruck steigt, nimmt der Anteil der Defekte in den tiefen Schichten zu, während die Gesamtzahl der Defektzustände abnimmt. Die Position der Defektzustände auf tiefer Ebene beträgt 1,0 eV (ein Sauerstoffmangel), was hauptsächlich aus dem CBM stammt, und 1,8 eV (zwei Sauerstoffmangel) entfernt vom CBM, was sich aus den experimentellen Werten ergibt. Das Ausmaß des Sauerstoffmangels im System hängt vom Sauerstoffpartialdruck während der Synthese ab. Wie aus den DFT-Ergebnissen hervorgeht, können die sauerstoffbedingten Defekte gleichzeitig sowohl den Zustandsanteil als auch die bevorzugten Ladungszustände modulieren.

(a) Bildungsenergie für instöchiometrische (In20Ga20Zn20O80) und sauerstoffarme IGZO (In20Ga20Zn20O79 und In20Ga20Zn20O78). (b) Zustandsdichte für In20Ga20Zn20O80 (c) Zustandsdichte für In20Ga20Zn20O79 (d) Zustandsdichte für In20Ga20Zn20O78.

Abbildung 7 zeigt ein schematisches Energiebanddiagramm des Defektzustands in IGZO-TFTs mit unterschiedlichen \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\). Mit zunehmendem \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) nehmen die Gesamtdichte der Defektzustände und das Fermi-Niveau ab, so dass überwiegend Defekte auf tiefem Niveau existieren können ein unbesetzter Staat. Außerdem nimmt das Verhältnis von IGZO mit zwei Sauerstoffmangelzuständen zu, was dazu führt, dass das Verhältnis der Zustände, die 2,0 eV vom CBM entfernt sind, zunimmt, während das Verhältnis der Zustände, die 1,0 eV vom CBM entfernt sind, abnimmt. Daher erhöht sich das Verhältnis für den Ladungszustand +2, was mehr Elektronen einfängt und die Streuquelle erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Mobilität und Zuverlässigkeit des Geräts mit zunehmendem \({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}}\) verschlechtert.

Schematisches Energiebanddiagramm des Defektzustands in IGZO-TFTs mit unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck.

Zusammenfassend sind die erweiterten Defekteigenschaften in Bezug auf die Verteilung und Menge von Defektzuständen in elektronischen Strukturen als Funktion des Sauerstoffpartialdrucks (\({\mathrm{P}}_{{\mathrm{O}}_{2}} \) Es wurden entweder 0 %, 10 % oder 60 % untersucht. Durch Anlegen einer negativen Gate-Vorspannung war es möglich, den messbaren Bereich der Aktivierungsenergie auf 2,0 eV zu erweitern. Die Geräteeigenschaften zeigten eine lineare Korrelation mit dem Verhältnis der Dichte der flachen und tiefen Ebenen. Daher hängt das Verhältnis der beiden Defektzustände eng mit den elektrischen Eigenschaften und den Eigenschaften des Geräts zusammen. Durch Berechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie werden der Ursprung und das Verhalten von Defektzuständen im Bereich der Aktivierungsenergie von 2,0 eV erklärt. Anpassen des Ausmaßes des Sauerstoffmangels, gleichzeitiges Anpassen der Dichte der Defektzustände und des Fermi-Niveaus sowie Modulieren der bevorzugten Ladezustände (Verhältnis der Leerzustände).

Die Datensätze, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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