特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（米測 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
與多晶半導(dǎo)體相比，非晶半導(dǎo)體具有固有的成本效益、簡單性和統(tǒng)一的制造能力。傳統(tǒng)的非晶氫化硅在電性能方面存在不足，因此需要探索新材料。高遷移率非晶n型金屬氧化物（例如a-InGaZnO）的創(chuàng)建及其與薄膜晶體管(TFT)的集成推動了現(xiàn)代大面積電子和新一代顯示器的進(jìn)步。
然而，非晶半導(dǎo)體的推廣仍存在以下問題：
1、尋找與n型金屬氧化物對應(yīng)的p型材料存在巨大挑戰(zhàn)
盡管非晶n型金屬氧化物推動了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，但是尋找可比的p型對應(yīng)物阻礙了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)和集成電路的進(jìn)步。
2、高遷移率非晶p型氧化物半導(dǎo)體主要障礙在于價帶最大值態(tài)
當(dāng)前的障礙在于由各向異性氧2p軌道組成的高度局域化的價帶最大值 (VBM)態(tài)。在傳統(tǒng)的 p 型氧化物（如Cu2O和SnO）中，VB軌道雜化賦予了良好的p型特性，但器件性能仍然受到限制。
3、現(xiàn)有非晶p型材料的性能改進(jìn)仍存在穩(wěn)定性、合成復(fù)雜、不均勻等問題
雖然使用非晶氫化硅進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的大面積生產(chǎn)是一種可行的選擇，但其低場效應(yīng)空穴遷移率限制了其現(xiàn)代應(yīng)用；低溫多晶硅存在復(fù)雜的工藝流程、晶界的不均勻性以及大規(guī)模生產(chǎn)的挑戰(zhàn)；有機(jī)化合物、金屬鹵化物和低維納米材料僅以結(jié)晶形式表現(xiàn)出最佳性能，且具有穩(wěn)定性低、合成過程復(fù)雜、大面積不均勻性和缺乏工業(yè)兼容性等固有局限性。
有鑒于此，電子科技大學(xué)劉奧、朱慧慧和浦項科技大學(xué)Yong-Young Noh等人介紹了非晶p型半導(dǎo)體的開創(chuàng)性設(shè)計策略，將高遷移率碲納入非晶碲低氧化物基體中，并展示了其在高性能、穩(wěn)定的p溝道TFT和互補(bǔ)電路中的實用性。理論分析揭示了具有淺受主態(tài)的碲5p能帶的離域價帶，從而實現(xiàn)了過量的空穴摻雜和傳輸。硒合金化抑制了空穴濃度并促進(jìn)了p軌道連接，實現(xiàn)了高性能p溝道TFT，其平均場效應(yīng)空穴遷移率約為15 cm2 V-1 s-1，開/關(guān)電流比為106 ~107，在偏置應(yīng)力和環(huán)境老化下具有晶圓級均勻性和長期穩(wěn)定性。這項研究代表了以低成本和行業(yè)兼容的方式建立商業(yè)上可行的非晶p 溝道TFT 技術(shù)和互補(bǔ)電子器件的關(guān)鍵一步。
技術(shù)方案：
1、表征了非晶硒合金Te-TeOx的結(jié)構(gòu)
作者采用熱蒸發(fā)法沉積非晶 Te-TeOx薄膜，通過XRD、HRTEM、XANES及XPS多種表征手段證實了薄膜的非晶結(jié)構(gòu)。
2、利用DFT探索非晶Te-TeOx的能帶結(jié)構(gòu)和電性能
作者進(jìn)行了DFT計算，探索了非晶Te-TeOx的能帶結(jié)構(gòu)和電性能，表明整個非晶網(wǎng)絡(luò)中空間分散和滲濾的Te-5p軌道，以及Te-TeOx中足夠數(shù)量的Te，有助于分散的 VBM。
3、探究了Te-TeOx的電學(xué)特性
作者評估基于Te-TeOx的半導(dǎo)體在電子設(shè)備應(yīng)用中的潛力，表明Se 摻雜后 TFT 性能顯著提高，還深入研究了 Se 態(tài)及其摻雜對非晶混合系統(tǒng)電性能的影響，強(qiáng)調(diào)了Se合金 Te-TeOx半導(dǎo)體的可加工性和可擴(kuò)展性。
4、展示了基于Se合金Te-TeOx的集成CMOS電路
為了證明Se合金Te-TeOx與現(xiàn)有n型金屬氧化物技術(shù)的兼容性，作者集成了各種互補(bǔ)邏輯器件，包括反相器、與非門和或非門。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、開創(chuàng)性地提出了非晶p型半導(dǎo)體的設(shè)計策略
作者提出了一種設(shè)計非晶p型半導(dǎo)體的方法，其中涉及非晶碲低氧化物基體（Te-TeOx，0 <x≤2）內(nèi)的高遷移率碲混合相。< span> </x≤2）內(nèi)的高遷移率碲混合相。<>
2、展示了非晶p型半導(dǎo)體在TFT和互補(bǔ)電路中的實用性
作者展示了硒合金化抑制了空穴濃度并促進(jìn)了p軌道連接，實現(xiàn)了高性能p溝道TFT，獲得了高平均場效應(yīng)空穴遷移率，高開/關(guān)電流比以及長期穩(wěn)定性。
技術(shù)細(xì)節(jié)
結(jié)構(gòu)表征
作者采用熱蒸發(fā)法，蒸發(fā)TeO2粉末，然后在225 ℃的環(huán)境條件下進(jìn)行低溫退火，沉積非晶 Te-TeOx薄膜。XRD圖譜顯示了熱退火前后沉積薄膜的典型非晶特征，HRTEM和衍射分析證實了其類非晶性質(zhì)，沒有顯示出可察覺的晶域或長程有序。這種非晶態(tài)和短程無序微觀結(jié)構(gòu)與之前對蒸發(fā)氧化碲的觀察結(jié)果一致。沉積薄膜的Te K邊X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)光譜表現(xiàn)出類似于Te和TeO2參考光譜特征的混合物的特征，平均Te:TeO2組成比約為 4:6。EXAFS的傅里葉變換(FT)清楚地顯示較短Te-O1鍵略有減少，較長的Te-O2和Te-O-Te長程有序性急劇減少。氧空位的產(chǎn)生破壞了Te-O2的橋鍵，Te的欠配位導(dǎo)致Te-O-Te長程有序性喪失，形成非晶結(jié)構(gòu)。XPS分析進(jìn)一步證實了多種成分，復(fù)合膜可能由Te-TeOx的混合相組成。
圖 非晶硒合金Te-TeOx的結(jié)構(gòu)表征
原子和電學(xué)結(jié)構(gòu)
利用從XANES/EXAFS結(jié)果獲得的見解以及從X射線反射率分析獲得的約 5.6 g/cm3的薄膜密度，作者進(jìn)行了DFT計算，以探索非晶Te-TeOx的能帶結(jié)構(gòu)和電性能。對于化學(xué)計量非晶TeO2，VBM主要由局域O 2p態(tài)組成，表明p型特征較差。對于非化學(xué)計量非晶Te-TeOx，DFT中生成的徑向分布函數(shù)（RDF）表明長Te-O2鍵的減少，生成的原子結(jié)構(gòu)包含各種Te-Te鍵以及與氧的欠配位Te原子。Te與氧的平均配位數(shù)計算為2.5。電子態(tài)密度（DOS）表明，VBM主要是O-2p 態(tài)上方部分占據(jù)的Te-5p 缺陷帶。Te-5p態(tài)主要源自Te-TeOx中的Te，充當(dāng)空穴傳輸通道并充當(dāng)淺受體。整個非晶網(wǎng)絡(luò)中空間分散和滲濾的Te-5p軌道，以及 Te-TeOx中足夠數(shù)量的 Te，有助于分散的 VBM。
圖 原子和電學(xué)結(jié)構(gòu)
電學(xué)特性
為了評估基于Te-TeOx的半導(dǎo)體在電子設(shè)備應(yīng)用中的潛力，作者通過在包含Ni源/漏電極的100 nm SiO2電介質(zhì)上沉積薄膜來制造底柵、頂接觸TFT。原始的Te-TeOx TFT表現(xiàn)出典型的p溝道行為，平均μh為4.2 cm2 V-1 s-1，開/關(guān)電流比(Ion/Ioff)約為104。Se 摻雜后 TFT 性能顯著提高，平均μh約為15 cm2 V-1 s-1，Ion/Ioff約為107。接著，作者深入研究了 Se 態(tài)及其摻雜對非晶混合系統(tǒng)電性能的影響，表明Se 合金可以減少空 5p 受主態(tài)的數(shù)量，從而減少整體空穴電導(dǎo)率。隨后，作者強(qiáng)調(diào)了Se合金 Te-TeOx半導(dǎo)體的可加工性和可擴(kuò)展性。
圖 100 nm SiO2電介質(zhì)上非晶p溝道Se合金Te-TeOx TFT的電學(xué)特性
集成CMOS電路
最后，為了證明Se合金Te-TeOx與現(xiàn)有n型金屬氧化物技術(shù)的兼容性，作者集成了各種互補(bǔ)邏輯器件，包括反相器、與非門和或非門。逆變器采用n溝道 In2O3和p溝道Se合金Te-TeOx TFT，表現(xiàn)出具有快速電壓轉(zhuǎn)換的全擺幅特性。在20 V電源電壓 (VDD) 下獲得高電壓增益，該逆變器還具有高噪聲容限，表明級聯(lián)集成電路應(yīng)用對噪聲和輸入信號變化具有強(qiáng)大的耐受性。為了實現(xiàn)更低的電流水平，未來的工作重點是減少電源、縮小TFT尺寸以及調(diào)整Se合金Te-TeOx的起始電壓TFT至約0 V。
圖 100 nm HfO2電介質(zhì)上的集成CMOS電路
總之，作者通過可擴(kuò)展的熱蒸發(fā)方法，使用非晶混合相Te-TeOx半導(dǎo)體展示了高性能穩(wěn)定的p溝道TFT。所提出的Se合金Te-TeOx 比報道的新興非晶 p 型半導(dǎo)體表現(xiàn)出優(yōu)越性，表現(xiàn)出出色的電性能、成本效益、高穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和可加工性。混合相策略引入了一種設(shè)計新一代穩(wěn)定非晶p型半導(dǎo)體的新方法，有望開創(chuàng)半導(dǎo)體器件的研究課題，促進(jìn)高性價比、大面積、穩(wěn)定、靈活的互補(bǔ)電子器件和電路的實現(xiàn)和商業(yè)化。
參考文獻(xiàn)：
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
