电子科技大学基础与前沿研究院刘奥教授和物理学院朱慧慧研究员最新研究成果以“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”为题上线《自然》杂志“加速预览”（Accelerated Article Preview，AAP）。AAP作为《自然》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。该项研究首创高迁移率稳定的非晶P型（空穴）半导体器件，突破该领域二十余年的研究瓶颈，将进一步推动现代信息电子学和大规模互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的发展。
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。论文第一单位为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的Yong-Young Noh教授为论文共同通讯作者。
研究背景
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（电子）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”。
成果亮点
鉴于此，该团队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，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（图1）。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15cm²/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（图2）。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。
图1. 新型非晶碲（Te）基复合半导体的结构和能带解析
图2. 基于新型非晶碲（Te）基复合半导体的器件分析
刘奥教授团队以我国“十四五”国家重点研发计划在电子信息、新型显示与战略性电子材料等领域的战略需求为牵引，以强化国家战略科技力量为目标，致力于具有重要基础前沿研究价值及重大产业化前景的新型高迁移率、高稳定P型半导体材料及电子器件研究，持续助力我国新一代信息技术的跨越式发展。