Schneller schalten

Wissenschaftler des Samsung Advanced Institute of Technology und der Korea Universität haben einen neuen Typ von Dünnschichttransistoren entwickelt, der deutlich schneller als alle Vorgängermodelle arbeitet. Das ist ein erster Schritt in Richtung schnellerer TFT-Displays für Smartphones und Fernseher. Der Trick bei der Herstellung des neuen Transistors aus Zinkoxinitrid (ZnON) besteht in einer Behandlung mit Argon-Plasma.

Ein Großteil der sich mit Zinkoxid als Transistormaterial beschäftigenden Arbeiten war bisher auf die Zugabe von Metallionen, wie z. B. Indium, Gallium oder Zirkon, ausgerichtet. In Halbleitermaterialien erhöhen diese nämlich die Elektronenbeweglichkeit von 5 auf 20 cm²/Voltsekunde. Unter Laborbedingungen wurden bereits um bis zu zehntausendfach höhere Elektronenbeweglichkeiten gemessen, in kommerziellen Anwendungen liegen die Werte jedoch im ein- bis zweistelligen Bereich.

„Für zukünftige Elektronikbauteile muss die Elektronenbeweglichkeit in Materialien über 100 cm²/(Vs) betragen.“ sagt Sanhun Jeon, Dozent am Institut für angewandte Physik, Display- und Halbleitertechnologie der Universität Korea. Das Team um Jeon sowie ihre Kollegen vom Samsung Advanced Institute of Technology haben nun einen ZnON-Schichten hergestellt, die vorhergehenden Entwicklungen in Sachen Elektronenbeweglichkeit um das zehnfache übertreffen.

Mithilfe eines sogenannten Sputterverfahrens, bei dem Zinkatome durch Argonionen aus einem Festkörpertarget herausgelöst werden und im Plasma mit angeregten Stickstoff- und Sauerstoffgasen reagieren bevor sie auf die zu beschichtenden Oberfläche treffen, schieden die Wissenschaftler ZnON-Schichten ab. Die so deponierten Schichten waren etwa 50 Nanometer dick und wiesen eine amorphe Elementanordnung auf. Allerdings alterten sie rasch.

Um dieses Problem zu beheben, passten die Forscher den Plasmaprozess an, indem sie die ZnON-Schicht mit höherenergetischem Argonplasma behandelten. Dies führte zu einer Stoßkaskade in der bombardierten Schicht und damit zur Umordnung der Bindungsverhältnisse im Schichtmaterial. Dadurch entstand eine chemisch gleichförmige nanokristalline Struktur in der amorphen Matrix. Die so abgeschiedenen Schichten sind deutlich widerstandfähiger gegenüber Strahlungseinflüssen und elektrischer Belastung.

Darüber hinaus zeigten Vergleichsanalysen, dass die argonplasmabehandelten Schichten im Gegensatz zu nur thermisch nachbehandelten Schichten keine Anzeichen von Stickstoffverlust zeigten. Die neuen ZnON Schichten sind also deutlich stabiler.

„Wir sind überzeugt, dass das durch reaktives Magnetronsputtern mit anschließender Verdichtung durch Argon-Plasma gewonnene Zinkoxinitrid einen entscheidenden Durchbruch auf dem Gebiet der Dünnschichtelektronik darstellt.“ freut sich Jeon, dessen zukünftige Arbeit nun Variationen der Schichtzusammensetzung und die Untersuchung ihrer UV Stabilität einschließt.

AIP / LK