一、首創(chuàng)【科學背景】

與多晶半導體相比，高遷非晶態(tài)半導體具有更低的移率成本、制造簡單、穩(wěn)定均勻性好等優(yōu)勢。非晶然而，半導傳統(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，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型材料仍然是個挑戰(zhàn)，阻礙了互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術(shù)的半導進步。因此，體器研發(fā)高遷移率的非晶態(tài)p型氧化物半導體有望改善可擴展的CMOS技術(shù)，并促進多功能電子器件的集成。目前的難點在于p型氧化物中高度局部化的價帶最大值(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。對于p型半導體的研究重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向有機化合物、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、合成過程復雜、大面積不均勻和工業(yè)應(yīng)用難度大等固有限制。

二、【科學貢獻】

近日，電子科技大學基礎(chǔ)與前沿研究院劉奧教授、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化學工程系Yong-Young Noh教授團隊合作在Nature以Accelerated Article Preview（加速預覽）形式發(fā)表了題為“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”的論文。在這項研究中，提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計策略，用于非晶態(tài)p型半導體，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帶中的非局部化價帶，具有淺的受主態(tài)，從而實現(xiàn)了過量的空穴摻雜和傳輸。硒的合金化抑制了空穴濃度，并促進了p軌道的連通性，實現(xiàn)了平均場效應(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期穩(wěn)定性。這一研究對于以低成本、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)和互補電子學是一次重要的進展。

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，對應(yīng)的Te K邊k³加權(quán)的擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）譜的傅里葉變換。

圖2：原子和電學結(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主體帶來自TeO₂中4-配位的正常Te4⁺；Te-5p缺陷帶主要來自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針）。b，一個摻雜硒的Te-TeO_xTFT的輸出曲線。c，已報道的非晶p型TFT的μ_h和I_on/I_off的基準。d，e，不同時間持續(xù)期間，摻雜硒的Te-TeO_xTFT在PBS和NBS測試（±20 V）下的傳輸曲線和VTH偏移。f，通過優(yōu)化條件制備的80個隨機測量的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。d、e、f，補充NAND和NOR邏輯門在V_DD為12 V時的照片、輸入和輸出波形。d中的紅色和藍色方框分別表示p溝道摻雜硒的Te-TeO_x和n溝道In₂O₃TFT的位置。

三、【科學啟迪】

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