Nature：首创高迁移率稳定非晶P型半导体器件

一、【科学背景】

与多晶半导体相比，非晶态半导体具有更低的成本、制造简单、均匀性好等优势。然而，传统的非晶氢化硅在电性能上存在不足，需要寻找新材料。近年来，高迁移率的非晶态n型金属氧化物如a-InGaZnO被成功应用于薄膜晶体管(TFTs)，推动了大面积电子设备和新一代显示器的发展。但是，找到相应的p型材料仍然是个挑战，阻碍了互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的进步。因此，研发高迁移率的非晶态p型氧化物半导体有望改善可扩展的CMOS技术，并促进多功能电子器件的集成。目前的难点在于p型氧化物中高度局部化的价带最大值(VBM)状态。传统的p型氧化物如Cu₂O和SnO₂虽然具有一定的p型特性，但即使在晶体通道中，设备性能仍然受到限制。对于p型半导体的研究重点已经转向有机化合物、金属卤化物和低维纳米材料。但是这些材料只有在晶体形态下才表现出最佳性能，且存在稳定性差、合成过程复杂、大面积不均匀和工业应用难度大等固有限制。

二、【科学贡献】

近日，电子滚球体育 大学基础与前沿研究院刘奥教授、电子滚球体育 大学物理学院朱慧慧研究员和韩国浦项滚球体育 大学化学工程系Yong-Young Noh教授团队合作在Nature以Accelerated Article Preview（加速预览）形式发表了题为“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”的论文。在这项研究中，提出了一种创新的设计策略，用于非晶态p型半导体，将高迁移率的碲引入非晶态碲亚氧化物基体中，并展示了其在高性能、稳定的p沟道TFTs和互补电路中的应用效果。理论分析揭示了碲5p带中的非局部化价带，具有浅的受主态，从而实现了过量的空穴掺杂和传输。硒的合金化抑制了空穴浓度，并促进了p轨道的连通性，实现了平均场效应空穴迁移率约为15 cm²V⁻¹s⁻¹和开关电流比在10⁶ ~ 10⁷之间的高性能p沟道TFTs。此外，在偏压应力和环境老化条件下，这些器件表现出晶圆尺度的均匀性和长期稳定性。这一研究对于以低成本、工业兼容方式建立商业可行的非晶态p沟道TFT技术和互补电子学是一次重要的进展。

图1：非晶态Se合金化Te-TeO_x的结构特征描述。© 2024 Springer Nature

a，玻璃基板上蒸发和经过225℃热处理的掺杂硒的Te-TeO_x薄膜的X射线衍射谱。b、c，经过225℃热处理的掺杂硒的Te-TeO_x的高分辨透射电子显微镜图像、快速傅里叶变换斑点图案和选定区域电子衍射图案。d，掺杂硒的Te-TeO_x薄膜和元素Te以及TeO₂参考材料的Te K边X射线吸收近边结构（XANES）谱。e，对应的Te K边k³加权的扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱的傅里叶变换。

图2：原子和电学结构。© 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（红色）和Te-Te（黑色）径向分布函数（RDFs）。b. 在DFT中生成的非晶Te-TeO_x的原子结构。c. 在DFT-PBE中O 2p（红色）和Te 5p（深黄色）态的投影态密度。Te-5p主体带来自TeO₂中4-配位的正常Te4⁺；Te-5p缺陷带主要来自Te-TeO_x中的元素Te。d,e. 非晶Te-TeO_x中Te-5p缺陷带和靠近Te-5p缺陷带的浅受主态的电荷密度。

图3：在100纳米SiO₂介电层上的非晶p沟道Se合金化Te-TeO_xTFTs的电学特性描述。© 2024 Springer Nature

a，原始Te-TeO_x和掺杂硒的Te-TeO_xTFT的传输特性；插图显示了TFT的几何结构（两者的滞后方向均为逆时针）。b，一个掺杂硒的Te-TeO_xTFT的输出曲线。c，已报道的非晶p型TFT的μ_h和I_on/I_off的基准。d，e，不同时间持续期间，掺杂硒的Te-TeO_xTFT在PBS和NBS测试（±20 V）下的传输曲线和VTH偏移。f，通过优化条件制备的80个随机测量的TFT的传输曲线。

图4：集成在100纳米HfO₂介电层上的CMOS电路© 2024 Springer Nature

a、b、c，基于n沟道In₂O₃和p沟道掺杂硒的Te-TeO_xTFT的补充反相器的示意图、电压传输、噪声边际（NM）提取和增益电压曲线，在V_DD为20 V时。d、e、f，补充NAND和NOR逻辑门在V_DD为12 V时的照片、输入和输出波形。d中的红色和蓝色方框分别表示p沟道掺杂硒的Te-TeO_x和n沟道In₂O₃TFT的位置。

三、【科学启迪】

这项研究通过可扩展的热蒸发方法，展示了利用非晶混合相Te-TeO_x基半导体制备的高性能稳定的p沟道TFTs。所提出的Se合金化Te-TeO_x相较于报道的新兴非晶p型半导体表现出了优越的电学性能、成本效益、高稳定性、可扩展性和加工性。制备工艺与工业生产线和封装技术无缝对接。这一混合相策略为设计新一代稳定非晶p型半导体引入了新思路。这项研究能够引发有关半导体器件的研究课题，推动成本效益高、大面积、稳定和灵活的互补电子设备和电路的实现与商业化。

原文详情：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

本文由jiojio供稿