一、首創(chuàng)【科學(xué)背景】

與多晶半導(dǎo)體相比，高遷非晶態(tài)半導(dǎo)體具有更低的移率成本、制造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定均勻性好等優(yōu)勢(shì)。非晶然而，半導(dǎo)傳統(tǒng)的體器非晶氫化硅在電性能上存在不足，需要尋找新材料。料牛近年來(lái)，首創(chuàng)高遷移率的高遷非晶態(tài)n型金屬氧化物如a-InGaZnO被成功應(yīng)用于薄膜晶體管(TFTs)，推動(dòng)了大面積電子設(shè)備和新一代顯示器的移率發(fā)展。但是穩(wěn)定，找到相應(yīng)的非晶p型材料仍然是個(gè)挑戰(zhàn)，阻礙了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的半導(dǎo)進(jìn)步。因此，體器研發(fā)高遷移率的非晶態(tài)p型氧化物半導(dǎo)體有望改善可擴(kuò)展的CMOS技術(shù)，并促進(jìn)多功能電子器件的集成。目前的難點(diǎn)在于p型氧化物中高度局部化的價(jià)帶最大值(VBM)狀態(tài)。傳統(tǒng)的p型氧化物如Cu₂O和SnO₂雖然具有一定的p型特性，但即使在晶體通道中，設(shè)備性能仍然受到限制。對(duì)于p型半導(dǎo)體的研究重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向有機(jī)化合物、金屬鹵化物和低維納米材料。但是這些材料只有在晶體形態(tài)下才表現(xiàn)出最佳性能，且存在穩(wěn)定性差、合成過(guò)程復(fù)雜、大面積不均勻和工業(yè)應(yīng)用難度大等固有限制。

二、【科學(xué)貢獻(xiàn)】

近日，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院劉奧教授、電子科技大學(xué)物理學(xué)院朱慧慧研究員和韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)化學(xué)工程系Yong-Young Noh教授團(tuán)隊(duì)合作在Nature以Accelerated Article Preview（加速預(yù)覽）形式發(fā)表了題為“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”的論文。在這項(xiàng)研究中，提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)策略，用于非晶態(tài)p型半導(dǎo)體，將高遷移率的碲引入非晶態(tài)碲亞氧化物基體中，并展示了其在高性能、穩(wěn)定的p溝道TFTs和互補(bǔ)電路中的應(yīng)用效果。理論分析揭示了碲5p帶中的非局部化價(jià)帶，具有淺的受主態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)量的空穴摻雜和傳輸。硒的合金化抑制了空穴濃度，并促進(jìn)了p軌道的連通性，實(shí)現(xiàn)了平均場(chǎng)效應(yīng)空穴遷移率約為15 cm²V^?1s^?1和開關(guān)電流比在10⁶?~?10⁷之間的高性能p溝道TFTs。此外，在偏壓應(yīng)力和環(huán)境老化條件下，這些器件表現(xiàn)出晶圓尺度的均勻性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這一研究對(duì)于以低成本、工業(yè)兼容方式建立商業(yè)可行的非晶態(tài)p溝道TFT技術(shù)和互補(bǔ)電子學(xué)是一次重要的進(jìn)展。

圖1：非晶態(tài)Se合金化Te-TeO_x的結(jié)構(gòu)特征描述。? 2024 Springer Nature

a，玻璃基板上蒸發(fā)和經(jīng)過(guò)225℃熱處理的摻雜硒的Te-TeO_x薄膜的X射線衍射譜。b、c，經(jīng)過(guò)225℃熱處理的摻雜硒的Te-TeO_x的高分辨透射電子顯微鏡圖像、快速傅里葉變換斑點(diǎn)圖案和選定區(qū)域電子衍射圖案。d，摻雜硒的Te-TeO_x薄膜和元素Te以及TeO₂參考材料的Te K邊X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）譜。e，對(duì)應(yīng)的Te K邊k³加權(quán)的擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）譜的傅里葉變換。

圖2：原子和電學(xué)結(jié)構(gòu)。? 2024 Springer Nature

a，在DFT中生成的非晶Te-TeO_x（Te:O原子比= 1:1.2）的平均Te-O（紅色）和Te-Te（黑色）徑向分布函數(shù)（RDFs）。b. 在DFT中生成的非晶Te-TeO_x的原子結(jié)構(gòu)。c. 在DFT-PBE中O 2p（紅色）和Te 5p（深黃色）態(tài)的投影態(tài)密度。Te-5p主體帶來(lái)自TeO₂中4-配位的正常Te4⁺；Te-5p缺陷帶主要來(lái)自Te-TeO_x中的元素Te。d,e. 非晶Te-TeO_x中Te-5p缺陷帶和靠近Te-5p缺陷帶的淺受主態(tài)的電荷密度。

圖3：在100納米SiO₂介電層上的非晶p溝道Se合金化Te-TeO_xTFTs的電學(xué)特性描述。? 2024 Springer Nature

a，原始Te-TeO_x和摻雜硒的Te-TeO_xTFT的傳輸特性；插圖顯示了TFT的幾何結(jié)構(gòu)（兩者的滯后方向均為逆時(shí)針）。b，一個(gè)摻雜硒的Te-TeO_xTFT的輸出曲線。c，已報(bào)道的非晶p型TFT的μ_h和I_on/I_off的基準(zhǔn)。d，e，不同時(shí)間持續(xù)期間，摻雜硒的Te-TeO_xTFT在PBS和NBS測(cè)試（±20 V）下的傳輸曲線和VTH偏移。f，通過(guò)優(yōu)化條件制備的80個(gè)隨機(jī)測(cè)量的TFT的傳輸曲線。

圖4：集成在100納米HfO₂介電層上的CMOS電路? 2024 Springer Nature

a、b、c，基于n溝道In₂O₃和p溝道摻雜硒的Te-TeO_xTFT的補(bǔ)充反相器的示意圖、電壓傳輸、噪聲邊際（NM）提取和增益電壓曲線，在V_DD為20 V時(shí)。d、e、f，補(bǔ)充NAND和NOR邏輯門在V_DD為12 V時(shí)的照片、輸入和輸出波形。d中的紅色和藍(lán)色方框分別表示p溝道摻雜硒的Te-TeO_x和n溝道In₂O₃TFT的位置。

三、【科學(xué)啟迪】

這項(xiàng)研究通過(guò)可擴(kuò)展的熱蒸發(fā)方法，展示了利用非晶混合相Te-TeO_x基半導(dǎo)體制備的高性能穩(wěn)定的p溝道TFTs。所提出的Se合金化Te-TeO_x相較于報(bào)道的新興非晶p型半導(dǎo)體表現(xiàn)出了優(yōu)越的電學(xué)性能、成本效益、高穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和加工性。制備工藝與工業(yè)生產(chǎn)線和封裝技術(shù)無(wú)縫對(duì)接。這一混合相策略為設(shè)計(jì)新一代穩(wěn)定非晶p型半導(dǎo)體引入了新思路。這項(xiàng)研究能夠引發(fā)有關(guān)半導(dǎo)體器件的研究課題，推動(dòng)成本效益高、大面積、穩(wěn)定和靈活的互補(bǔ)電子設(shè)備和電路的實(shí)現(xiàn)與商業(yè)化。

原文詳情：Liu, A., Kim, YS., Kim, M.G. et al. Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07360-w

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