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，电子科技大学基础与前沿研究院刘奥教授、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 cm² V⁻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_x TFTs的电学特性描述。© 2024 Springer Nature

a，原始Te-TeO_x和掺杂硒的Te-TeO_x TFT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_x TFT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_x TFT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_x TFT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In₂O₃ TFT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

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