自由傳導的電子會與外部光共振或振動

1985年，日本國家無機材料研究所的Noboru Kimizuka開創(chuàng)了多晶銦 - 鎵 - 鋅氧化物(IGZO)陶瓷的概念，其化學通式為(InGaO 3)m(ZnO)n(m， n =自然數(shù);以下稱為IGZO-mn)。他很少會想到它的好奇電氣特性將使電子工業(yè)獲得許可由這些金屬氧化物制成的薄膜晶體管(TFT)用于各種設(shè)備，包括可觸摸顯示器。然而，這并不容易。即使在今天，由于難以提取程序，純IGZO晶體的許多特征仍然未知。是什么讓他們誘人?

當你在金屬上發(fā)光時，自由傳導的電子會與外部光(電磁波)共振或振動。因此，光波被屏蔽，結(jié)果，光不被透射而是被反射。這就是為什么金屬雖然是良好的反射器和導體，但通常不是透明的。相比之下，具有大帶隙的半導體，例如IGZO，即使在可見光范圍內(nèi)也可以吸收和透射光。通常，大帶隙意味著這些類型的材料是絕緣體。使用氧缺陷將載流子注入到具有大帶隙的半導體材料中可以產(chǎn)生既透明又導電的材料。

因此，透明和導電使得這些半導體適用于光電器件，就像您正在閱讀的那樣!此外，基于IGZO的晶體管還具有諸如高電子遷移率，大面積均勻性和低處理溫度等優(yōu)點，這使得可以實現(xiàn)無與倫比的高能效高分辨率。在該IGZO-1n族中，多晶IGZO-11(即InGaZnO 4)具有最高的導電率和最大的光學帶隙。此外，馮·諾依曼型計算機或簡稱數(shù)字計算機需要“開 - 關(guān)狀態(tài)”電路作為基本構(gòu)建塊，理想的“關(guān)閉”狀態(tài)對應(yīng)于“零”電流。IGZO-11也在這方面表現(xiàn)優(yōu)異，因為它的斷態(tài)電流值非常小，這意味著能量損失可以最小化。

然而，尚未獲得足夠大的可用于測量其物理性質(zhì)的IGZO-11單晶。因此，其精確的內(nèi)在特性尚未開發(fā)。受此影響以及具有分層結(jié)構(gòu)的多組分氧化物可以表現(xiàn)出各向異性傳導的事實，由Miyakawa教授領(lǐng)導的主要來自東京理科大學的一組研究人員開發(fā)了一種新型的單晶生長技術(shù)。

合成多組分層狀結(jié)構(gòu)的主要挑戰(zhàn)是晶體生長期間的復發(fā)缺陷形成。此外，材料的物理性質(zhì)是未知的，這意味著必須精心制作分離晶體的途徑。面對IGZO-11在大氣壓下也可能是不一致的物質(zhì)(即，結(jié)晶固相在熔化過程中分解成第二晶相，與原始晶體和液相不同)的事實，研究小組選擇光學浮區(qū)(OFZ)來制造水晶。通過增加氣體壓力，該團隊成功地抑制了蒸發(fā)和蒸發(fā)，并從液相中生長出良好的單晶。

因此，OFZ能夠生長高質(zhì)量的氧化物晶體，而不需要坩堝或容器，這可以更好地控制液體材料所經(jīng)受的溫度和壓力。此外，在合成中使用富含鋅的進料棒使研究人員能夠控制原本會蒸發(fā)的ZnO水平，從而使合成無效。

在成功合成晶體后，研究人員研究了它的物理性質(zhì)。他們觀察到新生的水晶顏色呈藍色。在退火或加熱然后在自由氣氛和額外的氧氣中緩慢冷卻時，晶體變得透明。由晶體中的氧空位產(chǎn)生的自由載流子吸收紅光并發(fā)出藍光; 因此，當晶體經(jīng)歷退火時，研究人員將這種顏色變化與填充空位的氧氣聯(lián)系起來。

為了完成這個故事，研究人員隨后測量了晶體的電導率，遷移率和載流子密度以及它們的溫度依賴性。他們指出，退火后的所有電性能均顯示出降低。通過后退火，載流子密度和導電率可以在室溫下控制在10 17至10 20 cm -3和2000-1 S cm -1的范圍內(nèi)。他們還報告了載流子密度增加時遷移率的增加，這在之前的某些IGZO-1n薄膜的運輸研究中已有提及。這表明異常行為是IGZO-1n家族的固有特征。

有趣的是，該團隊注意到沿c軸的電導率(垂直于分層結(jié)構(gòu)中每個平面的軸)比單晶中ab平面(層的平面)的電導率低40倍，并且隨著載流子密度的降低，各向異性增加。正如Miyakawa教授所解釋的那樣，“沿c軸的銦 - 銦距離比沿著ab平面的距離長得多。因此，波函數(shù)的重疊在c軸方向上較小。” 由于電子軌道的波函數(shù)的重疊程度決定了電子移動的容易程度，研究人員斷言這可能是IGZO-11 晶體各向異性導電率的起源。

以前，IGZO系列已用于液晶顯示器，包括智能手機和平板電腦，事實上，最近也用于大型OLED電視。這種新型材料的導電性和透明性使IGZO脫穎而出。雖然可以直接應(yīng)用于LED中的IGZO-11制造晶體管仍在進行中，但這項引人入勝的研究標志著更多發(fā)現(xiàn)的開始。