今天，劉奧最新研究成果成功發(fā)表在《Nature》上，下面，就讓小編帶大家一起觀摩一下劉奧教授的最新研究成果。j9九游會登錄入口首頁

　　開發(fā)高流動性非晶p型氧化物半導(dǎo)體有望推進CMOS技術(shù)及多功能電子器件的集成。目前挑戰(zhàn)在于價帶最大（VBM）態(tài)的局域性，這主要由氧2p軌道的各向異性導(dǎo)致。盡管傳統(tǒng)p型氧化物如Cu2O和SnO通過軌道雜化展現(xiàn)良好p型特性，但其性能仍受限，包括晶體通道。非晶氫化硅因低成本和大面積生產(chǎn)優(yōu)勢被考慮，但低空穴遷移率限制了其現(xiàn)代應(yīng)用。高遷移率的低溫多晶硅已用于特定電路和顯示應(yīng)用，但受限于中小規(guī)模器件，原因是復(fù)雜工藝和生產(chǎn)挑戰(zhàn)。研究正探索有機化合物、金屬鹵化物和低維納米材料作為晶體管p型半導(dǎo)體，但這些材料面臨結(jié)晶狀態(tài)下性能最佳、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)復(fù)雜等問題

　　在此，電子科技大學(xué)劉奧教授聯(lián)合浦項科技大學(xué)Huihui Zhu和Yong-Young Noh教授介紹了一種開創(chuàng)性的非晶 p 型半導(dǎo)體設(shè)計策略，即在非晶亞氧化碲基質(zhì)中加入高活性碲，并展示了其在高性能、穩(wěn)定 p 溝道 TFT 和互補電路中的應(yīng)用。理論分析揭示了碲 5p 帶與淺受體態(tài)的脫域價帶，從而實現(xiàn)了過量空穴摻雜和傳輸。硒合金抑制了空穴集中，促進了 p 軌道的連通性，從而實現(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，導(dǎo)通/關(guān)斷電流比為 106 ~ 107，j9九游會登錄入口首頁同時在偏壓和環(huán)境老化條件下具有晶圓尺度的一致性和長期穩(wěn)定性。這項研究標志著在以低成本和工業(yè)兼容的方式建立商業(yè)上可行的非晶 p 溝道 TFT 技術(shù)和互補電子器件方面邁出了關(guān)鍵的一步。相關(guān)成果以“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”為題發(fā)表在《Nature》上。劉奧為通訊兼一作。

　　本研究提出了一種設(shè)計非晶p型半導(dǎo)體的新方法，即在非晶亞氧化碲（Te-TeOx，0 X射線衍射（XRD）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）分析確認了薄膜的非晶態(tài)特征，展示了其無定形和短程無序的微觀結(jié)構(gòu)。X射線吸收近緣結(jié)構(gòu)（XANES）光譜和擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)（EXAFS）的分析表明，薄膜由Te-TeOx的混合相組成，顯示出Te與氧之間的配位變化，導(dǎo)致非晶結(jié)構(gòu)的形成。這種結(jié)構(gòu)可能由Te-TeOx混合相組成，為非晶p型半導(dǎo)體材料提供了一種新的制備路徑。

　　基于XANES/EXAFS結(jié)果獲得的洞察和通過X射線反射率測量得到的薄膜密度約為5.6 g/cm3，作者采用密度泛函理論（DFT）進行了計算分析。針對非晶態(tài)Te-TeOx，DFT計算的徑向分布函數(shù)（RDF）顯示出Te-O2長鍵的減弱。由計算生成的原子結(jié)構(gòu)揭示了多種Te-Te鍵及Te原子對氧的不同配位狀態(tài)（0-、1-、2-和3-倍配位）。計算結(jié)果表明，Te與氧的平均配位數(shù)約為2.5。電子態(tài)密度（DOS）分析表明，價帶最大（VBM）主要受到部分占據(jù)的Te-5p缺陷態(tài)支配，這些缺陷態(tài)主要源自Te-TeOx中的Te原子，為空穴傳輸提供通道，同時也是淺層受體。Te-5p態(tài)在整個非晶結(jié)構(gòu)中的空間分布和延伸，結(jié)合Te-TeOx中豐富的Te含量，促進了分散的VBM形成。圖2d和2e分別展示了Te-5p缺陷帶及其附近淺受體態(tài)的電荷密度分布

　　為評估Te-TeOx半導(dǎo)體在電子器件中的應(yīng)用潛力，研究者制作了采用鎳電極和100納米SiO?介電層的底柵頂接觸薄膜晶體管（TFT）。Te-TeOx TFT展現(xiàn)出典型的p型溝道特性，平均空穴遷移率為4.2 cm2/Vs，開/關(guān)比約為10?，起始電壓正向偏移，指示較高的溝道空穴濃度。摻硒后，TFT性能提升，起始電壓和關(guān)態(tài)電流降低，空穴遷移率增至約15 cm2/Vs。通過調(diào)整溝道層厚度和退火溫度，優(yōu)化了硒摻雜Te-TeOx TFT，展現(xiàn)出良好的輸出曲線特性和低接觸電阻。硒摻雜顯著改善了電學(xué)特性，EXAFS分析確認硒成功合金化，通過調(diào)整Se/Te比例，進一步優(yōu)化了空穴傳輸特性。恒定偏壓測試表明，硒摻雜Te-TeOx TFT具有良好的工作穩(wěn)定性和環(huán)境耐久性，閾值電壓在長時間測試后穩(wěn)定，主要不穩(wěn)定性源自電荷捕獲。這些結(jié)果突顯了Te-TeOx基半導(dǎo)體，尤其是經(jīng)硒摻雜后，在電子器件應(yīng)用中的高潛力和優(yōu)異性能

　　最終，為展示Se摻雜Te-TeOx與現(xiàn)有n型金屬氧化物技術(shù)的兼容性，研究者成功集成了包括反相器、NAND門和NOR門在內(nèi)的互補邏輯器件。采用n通道In2O3和p通道Se摻雜Te-TeOx TFT的反相器展現(xiàn)了在20V電源電壓下高達1300的電壓增益和快速電壓轉(zhuǎn)換能力，以及82% VDD/2的高噪聲裕量，證明了其在級聯(lián)集成電路中對噪聲和輸入信號變化的強大耐受力。電路的泄漏電流隨VDD變化的關(guān)系也被探究。為實現(xiàn)更低的電流水平，未來工作將聚焦于降低電源電壓、減小TFT尺寸及調(diào)整Se摻雜Te-TeOx TFT的起始電壓至約0V，進一步優(yōu)化器件性能。

　　小結(jié)：總之，作者通過可擴展的熱蒸發(fā)方法，利用基于非晶混合相 Te-TeOx 的半導(dǎo)體展示了高性能、穩(wěn)定的 p 溝道 TFT。與已報道的新興非晶 p 型半導(dǎo)體相比，所提出的 Se-alloyed Te-TeOx 具有卓越的電氣性能、成本效益、高穩(wěn)定性、可擴展性和可加工性。制造程序與工業(yè)生產(chǎn)線和生產(chǎn)線后端技術(shù)無縫銜接?；旌舷嗖呗詾樵O(shè)計新一代穩(wěn)定的非晶 p 型半導(dǎo)體引入了一種新方法。作者期望這項研究能啟動半導(dǎo)體器件方面的研究課題，并促進具有成本效益、大面積、穩(wěn)定和靈活的互補電子器件和電路的實現(xiàn)和商業(yè)化。