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;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字計算機需要“開 - 關狀態(tài)”電路作為基本構建塊，理想的“關閉”狀態(tài)對應于“零”電流。IGZO-11也在這方面表現優(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的IGZO-11單晶。因此，其精確的內在特性尚未開發(fā)。受此影響以及具有分層結構的多組分氧化物可以表現出各向異性傳導的事實，由Miyakawa教授領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。

合成多組分層狀結構的主要挑戰(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(即，結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。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生的自由載流子吸收紅光并發(fā)出藍光; 因此，當晶體經歷退火時，研究人員將這種顏色變化與填充空位的氧氣聯系起來。

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。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(垂直于分層結構中每個平面的軸)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，波函數的重疊在c軸方向上較小。” 由于電子軌道的波函數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)現的開始。