最新Nature,电子科技大学刘奥教授团队与合作者在新型半导体材料和器件领域取得新进展

DT半导体材料 2024-04-12 17:46


相比于多晶半导体,非晶体系具有诸多优势,如低成本、易加工、高稳定性以及大面积制造均匀等。然而,传统的非晶氢化硅因电学性能不足而急需探索新材料。自2004年首次基于非晶N型铟鎵锌合金氧化物薄膜晶体管(TFT)报道以来(Nature 432, 488, 2004),极大推动了半导体电子学和新一代信息显示技术的发展。然而,目前研发性能相当的非晶P型半导体面临着重大挑战,严重阻碍了新型电子器件研发和大规模N-P互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的发展。传统氧化物半导体因高局域态价带顶和自补偿效应,导致空穴传输效率极差,难以满足应用需求。科研人员因此投入大量精力开发新型非氧化物P型半导体,但目前这些新材料只能在多晶态下展现一定的P型特性。此外,这些材料还存在稳定性和均匀性等固有缺陷,且难以与现有工业制程工艺兼容。在过去二十余年里,领域科研人员不断改进和优化“价带轨道杂化理论”,尝试实现高空穴迁移率的P型氧化物基半导体,但收效甚微。这也导致领域专家普遍认为,实现高性能的非晶P型半导体和CMOS器件是一项“几乎不可能完成的挑战”。



2024年4月10日,电子科技大学基础与前沿研究院刘奥教授和电子科技大学物理学院朱慧慧研究员、韩国浦项科技大学Yong-Young Noh教授合作的最新研究成果以“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”为题上线 Nature“加速预览”(Accelerated Article Preview,AAP)。该成果由电子科技大学和韩国浦项科技大学共同合作完成。电子科技大学基础与前沿研究院刘奥教授为论文第一作者和通讯作者,电子科技大学物理学院朱慧慧研究员和韩国浦项科技大学Yong-Young Noh教授为论文共同通讯作者。AAP作为Nature杂志的提前在线发布形式之一,是对期刊编辑、同行科学家认为的具有重大科学意义研究成果的加速报道。


本文提出了一种新颖的碲(Te)基复合非晶P型半导体设计理念,并采用工业制程兼容的热蒸镀工艺实现了薄膜的低温制备,并证明了在高性能、稳定的P沟道TFT器件和CMOS互补电路中的应用可行性。通过理论分析揭示了由碲5p轨道组成的高分散价带顶和浅能级受体态,为非晶体系下足量的空穴掺杂和有效空穴传输奠定了重要基础。此外,进一步的研究表明硒合金化处理可以有效调节空穴浓度,实现了场效应空穴迁移率达到15 cm²/Vs和电流开关比约为107的高性能P沟道TFT器件。这些器件展现了良好的偏置应力和环境稳定性,以及晶圆尺度的均匀性。该碲基材料体系在性能上远优于已报道的其他新兴非晶P型半导体材料,并展现出卓越的经济性、稳定性、可扩展性和加工性。这种复合相策略为设计新一代稳定的非晶P型半导体材料带来了新的启发。这项研究将开启P型半导体器件的研究热潮,并为建立商业上可行的非晶P沟道TFT技术和低功耗CMOS集成器件迈出了重要的一步。

图1. 非晶Te基薄膜的表征


通过X射线衍射(XRD)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析,清晰观察到Te基薄膜呈现非晶态结构。利用X射线吸收光谱技术对制备的样品进行分析,发现其同时表现出元素Te和TeOx氧化物特性。与结晶TeO2粉末中较长的Te-O2Te-O-Te键相比,在制备的非晶薄膜样品中仅能观察到较短的Te-O1键。这一结果表明,该体系主要由无序的短键组成,这主要是由于蒸镀过程中发生了脱氧反应,导致氧空位的产生,从而破坏了原子键的长程有序性,并同时产生了高迁移率元素Te组分。这种巧妙的组分构成同时兼顾了非晶结构和高空穴迁移率。

图2. 理论解析Te基复合材料的原子和能带结构


基于薄膜表征参数,通过理论建模分析原子和能带结构,发现该新材料体系展现主要由Te 5p轨道组成的高分散价带顶和浅能级受体态,这为非晶体系下足量的空穴掺杂和有效空穴传输奠定了重要基础。

图3. 基于Te基复合非晶P沟道TFT器件的电学测试


器件电学测试表明基于适量Se合金化处理的Te基非晶P沟道TFT器件(Se:Te=1:3)展现优异的输出、转移特性。优化的TFT器件的场效应空穴迁移率达到15 cm²/Vs,电流开关比约为107,其核心电学指标接近初代N沟道氧化物TFT器件。制备的TFT器件还展现出良好的长时间偏置应力稳定性和大面积均匀性。

图4. 集成的CMOS器件电学测试


要基于P沟道器件的成功制备,采用溶液工艺成功制备了N沟道In2O3TFT器件,并成功集成CMOS反相器和逻辑门电路。其中CMOS反相表现出极高的增益(约为1300 V/V),逻辑门电路同时展现出正确的逻辑运算功能。


综上,该碲基材料体系在性能上远优于已报道的其他新兴非晶P型半导体材料,并展现出卓越的经济性、稳定性、可扩展性和加工性,其制备工艺与工业生产线和后端集成技术完美兼容。这种复合相策略为设计新一代稳定的非晶P型半导体材料带来了新的启发。这项研究将开启P型半导体器件的研究热潮,并在建立商业上可行的非晶P沟道TFT技术和低功耗CMOS集成器件迈出了重要的一步。


原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07360-w


                                                                          来源: 化学与材料科学


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