電子科技大學基礎與前沿研究院劉奧教授和物理學院朱慧慧研究員最新研究成果以“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”為題上線《自然》雜志“加速預覽”（Accelerated Article Preview，AAP）。AAP作為《自然》雜志的提前在線發(fā)布形式之一，是對期刊編輯、同行科學家認為的具有重大科學意義研究成果的加速報道。該項研究首創(chuàng)高遷移率穩(wěn)定的非晶P型（空穴）半導體器件，突破該領域二十余年的研究瓶頸，將進一步推動現(xiàn)代信息電子學和大規(guī)模互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的發(fā)展。

該成果由電子科技大學和韓國浦項科技大學共同合作完成。論文第一單位為電子科技大學基礎與前沿研究院，劉奧教授為論文第一作者和通訊作者，電子科技大學物理學院朱慧慧研究員和韓國浦項科技大學的Yong-Young Noh教授為論文共同通訊作者。

研究背景

相比于多晶半導體，非晶體系具有諸多優(yōu)勢，如低成本、易加工、高穩(wěn)定性以及大面積制造均勻等。然而，傳統(tǒng)的非晶氫化硅因電學性能不足而急需探索新材料。自2004年首次基于非晶N型（電子）銦鎵鋅合金氧化物薄膜晶體管（TFT）報道以來（Nature 432, 488, 2004），極大推動了半導體電子學和新一代信息顯示技術的發(fā)展。然而，目前研發(fā)性能相當?shù)姆蔷型半導體面臨著重大挑戰(zhàn)，嚴重阻礙了新型電子器件研發(fā)和大規(guī)模N-P互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的發(fā)展。傳統(tǒng)氧化物半導體因高局域態(tài)價帶頂和自補償效應，導致空穴傳輸效率極差，難以滿足應用需求?？蒲腥藛T因此投入大量精力開發(fā)新型非氧化物P型半導體，但目前這些新材料只能在多晶態(tài)下展現(xiàn)一定的P型特性。此外，這些材料還存在穩(wěn)定性和均勻性等固有缺陷，且難以與現(xiàn)有工業(yè)制程工藝兼容。在過去二十余年里，領域科研人員不斷改進和優(yōu)化“價帶軌道雜化理論”，嘗試實現(xiàn)高空穴遷移率的P型氧化物基半導體，但收效甚微。這也導致領域?qū)＜移毡檎J為，實現(xiàn)高性能的非晶P型半導體和CMOS器件是一項“幾乎不可能完成的挑戰(zhàn)”。

成果亮點

鑒于此，該團隊提出了一種新穎的碲(Te)基復合非晶P型半導體設計理念，并采用工業(yè)制程兼容的熱蒸鍍工藝實現(xiàn)了薄膜的低溫制備，證明了在高性能、穩(wěn)定的P溝道TFT器件和CMOS互補電路中的應用可行性。通過理論分析，揭示了由碲5p軌道組成的高分散價帶頂和淺能級受體態(tài)，為非晶體系下足量的空穴摻雜和有效空穴傳輸?shù)於酥匾A（圖1）。此外，進一步的研究表明，硒合金化處理可以有效調(diào)節(jié)空穴濃度，實現(xiàn)了場效應空穴遷移率達到15cm²/Vs和電流開關比約為107的高性能P溝道TFT器件。這些器件展現(xiàn)了良好的偏置應力和環(huán)境穩(wěn)定性，以及晶圓尺度的均勻性（圖2）。該碲基材料體系在性能上遠優(yōu)于已報道的其他新興非晶P型半導體材料，并展現(xiàn)出卓越的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、可擴展性和加工性，其制備工藝與工業(yè)生產(chǎn)線和后端集成技術完美兼容。這種復合相策略為設計新一代穩(wěn)定的非晶P型半導體材料帶來了新的啟發(fā)。這項研究將開啟P型半導體器件的研究熱潮，并在建立商業(yè)上可行的非晶P溝道TFT技術和低功耗CMOS集成器件邁出了重要的一步。

圖1. 新型非晶碲（Te）基復合半導體的結構和能帶解析

圖2. 基于新型非晶碲（Te）基復合半導體的器件分析

劉奧教授團隊以我國“十四五”國家重點研發(fā)計劃在電子信息、新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料等領域的戰(zhàn)略需求為牽引，以強化國家戰(zhàn)略科技力量為目標，致力于具有重要基礎前沿研究價值及重大產(chǎn)業(yè)化前景的新型高遷移率、高穩(wěn)定P型半導體材料及電子器件研究，持續(xù)助力我國新一代信息技術的跨越式發(fā)展。