Óxido de indio, galio y zinc

El óxido de indio, galio y zinc ( IGZO ) es un material semiconductor compuesto de indio (In), galio (Ga), zinc (Zn) y oxígeno (O), con una disposición atómica única que garantiza un rendimiento estable. El IGZO puede describir una gama de composiciones dentro del complejo sistema ternario (In₂O₃ ₎ ₓ ₍ Ga₂O₃ ) ₋y ₍ ZnO) _₁-xy . Las composiciones estándar de la industria para el IGZO _{, en términos de las proporciones de cationes In:Ga:Zn ,} incluyen 1:1:1 y 2:2:1. Esta estructura única mejora la resolución de la imagen y admite compatibilidad con diversas tecnologías de visualización, lo que contribuye a una mayor eficiencia, rendimiento y fiabilidad. ^{[ 1 ]} En su forma amorfa, el a-IGZO es un semiconductor de óxido amorfo transparente (TAOS) representativo, una clase de semiconductores de óxido de banda prohibida ancha que combinan transparencia óptica con transporte de electrones adecuado para transistores de película delgada. ^{[ 2 ]}

La estructura del IGZO cristalino (c-IGZO) se puede caracterizar mediante un conjunto de estructuras homólogas descritas por la fórmula InGaO ₃ (ZnO) _m . ^{[ 3 ]} En los casos en que m es un número entero, la paridad de m determina el sistema cristalino y la estructura. Cuando m es par, la estructura tiene una simetría hexagonal (P6 ₃ /mmc) y cuando m es impar, la estructura tiene una simetría trigonal (R-3m). El IGZO también puede existir en forma amorfa (a-IGZO).

El IGZO tiene una corriente de fuga muy baja y una movilidad electrónica excepcionalmente alta , entre 20 y 50 veces mayor que la del silicio amorfo comúnmente utilizado en pantallas de cristal líquido (LCD) y papel electrónico . La alta movilidad electrónica facilita la miniaturización de transistores y el adelgazamiento de circuitos, lo que permite una mayor transmisión de luz por píxel, duplicando efectivamente la resolución sin perder brillo. Esto también se traduce en un tiempo de respuesta rápido o una menor latencia de procesamiento. ^{[ 4 ]} Además, el IGZO es conocido por su bajo consumo de energía. A diferencia de las pantallas convencionales que requieren que todos los píxeles se activen continuamente, el IGZO retiene la información de la imagen sin necesidad de refrescarla. Esto reduce su consumo de energía a tan solo una quinta parte o incluso una décima parte del de las pantallas tradicionales. Esto también conlleva una mayor duración de la batería de los dispositivos portátiles. ^{[ 5 ]}

El IGZO se utiliza ampliamente en transistores de película delgada (TFT) para aplicaciones de visualización, como en el backplane TFT de pantallas planas (FPD). El IGZO-TFT fue desarrollado por el grupo de Hideo Hosono en el Instituto Tecnológico de Tokio y la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología (JST) en 2003 (IGZO-TFT cristalino) ^{[ 6 ] [ 7 ]} y en 2004 (IGZO-TFT amorfo). ^{[ 8 ]} Dado que el IGZO-TFT tiene entre 20 y 50 veces la movilidad de electrones del silicio amorfo, puede mejorar la velocidad, la resolución y el tamaño de las pantallas planas. Actualmente se utiliza como transistores de película delgada para pantallas de televisión de diodos orgánicos emisores de luz (OLED). Si bien el silicio policristalino también puede exhibir altas movilidades de electrones, su rendimiento suele ser inconsistente debido a los límites de grano y afecta la fiabilidad del dispositivo. En cambio, los TFT de IGZO amorfo (a-IGZO) ofrecen una alternativa más rentable y práctica, ya que se pueden fabricar en grandes áreas a bajas temperaturas, lo que garantiza una mayor uniformidad y calidad. ^{[ 9 ]}

IGZO-TFT y sus aplicaciones están patentados por JST. ^{[ 10 ]} Han sido licenciados a Samsung Electronics ^{[ 10 ]} (en 2011) y Sharp ^{[ 11 ]} (en 2012).

En 2012, Sharp fue la primera en comenzar la producción de paneles LCD que incorporan IGZO-TFT. ^{[ 12 ]} Sharp utiliza IGZO-TFT para teléfonos inteligentes , tabletas y pantallas LCD de 32". En estos, la relación de apertura de la pantalla LCD se mejora hasta en un 20%. El consumo de energía se mejora mediante la tecnología de parada de inactividad de la pantalla LCD, que es posible gracias a la alta movilidad y la baja corriente de apagado de IGZO-TFT. ^{[ 13 ]} Sharp ha comenzado a lanzar paneles de alta densidad de píxeles para aplicaciones de portátiles . ^{[ 14 ]} IGZO-TFT también se emplea en la pantalla LCD de 14" 3200x1800 de un ultrabook PC suministrado por Fujitsu , ^{[ 15 ]} también se utiliza en el portátil para juegos Razer Blade de 14" (variante con pantalla táctil) y en un televisor OLED de 55" suministrado por LG Electronics . ^{[ 16 ]}

La ventaja del IGZO sobre el óxido de zinc es que puede depositarse como una fase amorfa uniforme, manteniendo la alta movilidad de portadores común a los semiconductores de óxido . ^{[ 2 ]} Las revisiones de transistores de película delgada de In-Ga-Zn-O amorfos describen esta combinación de uniformidad amorfa y movilidad de portadores como una razón central para sus aplicaciones en pantallas. ^{[ 17 ]} Los transistores son ligeramente fotosensibles , pero el efecto se vuelve significativo solo en el rango del violeta profundo al ultravioleta ( energía de fotones superior a 3 eV ), lo que ofrece la posibilidad de un transistor totalmente transparente.

El impedimento actual para la fabricación a gran escala de IGZO es el método de síntesis. La técnica más utilizada para la síntesis de óxido conductor transparente (TCO) es la deposición por láser pulsado (PLD). ^{[ 18 ]} En PLD, se utiliza un láser para enfocar puntos de tamaño nanométrico en objetivos elementales sólidos. Las frecuencias de los pulsos láser varían entre los objetivos en proporciones para controlar la composición de la película. El IGZO se puede depositar sobre sustratos como cuarzo, silicio monocristalino o incluso plástico debido a su capacidad de deposición a baja temperatura. Los sustratos se colocan en una cámara de vacío de PLD, que controla la presión de oxígeno para asegurar propiedades eléctricas favorables. Después de la síntesis, la película se recoce , o se expone gradualmente al aire para adaptarse a la atmósfera.

Si bien la deposición por láser pulsado (PLD) es una técnica de síntesis útil y versátil, requiere equipos costosos y mucho tiempo para que cada muestra se adapte a las condiciones atmosféricas habituales. Esto no es ideal para la fabricación industrial.

Un método alternativo para fabricar películas delgadas de IGZO con mayor precisión y escalabilidad es el proceso de deposición de capas atómicas mejorada por plasma (PEALD). ALD es una técnica de deposición química en fase vapor controlada con precisión que deposita películas delgadas capa por capa utilizando precursores gaseosos . En PEALD, la adición de una fuente de plasma remota permite que las moléculas precursoras se descompongan en el plasma, reduciendo la dependencia de la energía térmica del sustrato calentado y permitiendo una mayor flexibilidad del proceso. ^{[ 19 ]}

El procesamiento en solución es una alternativa más rentable. En concreto, se pueden utilizar técnicas de síntesis por combustión . Kim et al. emplearon una solución de nitrato metálico con un oxidante para generar una reacción exotérmica . ^{[ 20 ]} Un tipo común de síntesis por combustión es el recubrimiento por centrifugación , ^{[ 21 ]} que consiste en depositar capas de solución de In y Ga sobre una placa caliente y recocerlas a temperaturas que oscilan entre 200 y 400 °C, dependiendo de la composición del material objetivo. Las películas pueden recocerse al aire, lo que supone una gran ventaja frente a la deposición por láser pulsado (PLD).