物以“硒”为贵：Nature报道新型非晶p型碲基半导体

相比于传统多晶半导体，非晶体系具有如低成本、易加工、高稳定性以及大面积制造等诸多优势。然而，传统的非晶氢化硅电学性能并不能满足需要，亟待开发新材料。自从日本东京工业大学Hideo Hosono课题组2004年在Nature 杂志上发表了基于非晶氧化铟镓锌（InGaZnO, IGZO）薄膜晶体管（TFT）以来 ^[1]，以氧化物半导体为有源层的TFT迅速引起了科学家们的广泛关注。然而，大多数氧化物半导体都是n型的，因为通过O元素的2p轨道计算的价带顶部非常平坦，具有较大的空穴有效质量，空穴迁移率较低 ^[2]。目前研究的p型氧化物半导体主要有Cu₂O、NiO和SnO等，但是空穴迁移率一般为个位数。此外，这类氧化物的不稳定性给薄膜合成和器件集成也带来了重大的技术挑战。

基于宽带隙氧化物半导体的应用技术。图片来源：Adv. Mater. ^[2]

In₂O₃能带结构示意图及O元素的2p轨道价带计算。图片来源：Appl. Phys. Lett. ^[3]

近日，电子科技大学刘奥教授、朱慧慧研究员与韩国浦项科技大学Yong-Young Noh课题组合作在Nature 杂志上发表论文，提出了一种新的非晶p型半导体设计策略，将高迁移率碲引入到非晶碲氧化物基质中（Te-TeO_x），并展示了其在高性能稳定的p沟道TFT和互补电路中的应用。研究表明，硒合金化可以有效调节其空穴浓度，实现了高性能p沟道TFT器件（平均场效应空穴迁移率约15 cm² V^-1 s^-1，电流开关比约为10⁶~10⁷），该器件同时具有晶圆级均匀性和在偏置应力和环境老化下的长期稳定性。

非晶碲基复合半导体的结构表征。图片来源：Nature

研究者采用热蒸发法沉积非晶Te-TeO_x薄膜，二氧化碲（TeO₂）粉末蒸发后，在225 ℃常温下低温退火。至于Se合金化Te-TeO_x薄膜的沉积，则是在TeO₂粉末蒸发前混入Se。按比例混合的TeO₂（400 mg）和Se（12 mg）粉末做蒸发源，沉积得到约15 nm的Se合金化的Te-TeO_x薄膜。X射线吸收近边结构（XANES）光谱显示，Te:TeO₂的组成比约为4:6。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）显示，氧空位打破了Te-O₂的桥接键，导致了Te-O-Te长程有序的丧失，形成了非晶结构。

DFT计算及能带结构分析。图片来源：Nature

利用密度泛函理论（DFT）计算，研究者得到非晶Te-TeO_x的能带结构。电子态密度（DOS）显示，半导体价带主要由部分Te 5p缺陷带在O 2p态之上占据，充当了空穴传输通道。非晶Te的均匀分布，有助于价带的分散。

非晶碲基复合半导体的电学性能。图片来源：Nature

未掺杂的Te-TeO_x薄膜晶体管表现出典型的p型半导体性质，平均空穴迁移率为4.2 cm² V^-1 s^-1，开/关电流比（I_on/I_off）约为10⁴。Se的掺杂对Te-TeO_x薄膜的微观结构没有影响，然而，在改善电学性能方面起到了重要作用。通过Se掺杂，TFT性能明显提高，平均空穴迁移率达到15 cm² V^-1 s^-1，开/关电流比（I_on/I_off）提高至10⁷。该性能超过了已报道的其他非晶p型半导体TFT，比如氢化α-Si、金属氧化物以及有机薄膜半导体。当然，较高的Se百分比也会降低TFT的性能，表现出明显的n型掺杂效应。

基于非晶碲基复合半导体的逻辑电路应用。图片来源：Nature

随后，研究者将这种p型非晶碲基半导体薄膜与n型金属氧化物In₂O₃相结合，成功制备了反相器、NAND门和NOR门等逻辑电路。在20 V的供电电压下，反相器获得了1300倍的高增益，其它两个逻辑门也呈现出理想的工作状态。

这一新型p型TFT技术展现出卓越的经济性、稳定性、可规模化潜力和可加工性，为大面积p-n结和低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）电路集成的商业化迈出了重要的一步。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors 

Ao Liu, Yong-Sung Kim, Min Gyu Kim, Youjin Reo, Taoyu Zou, Taesu Choi, Sai Bai, Huihui Zhu & Yong-Young Noh 

Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07360-w

参考文献：

[1] K. Nomura, et al., Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors. Nature 2004, 432, 488–492. DOI: 10.1038/nature03090

[2] J. Shi, et al., Wide Bandgap Oxide Semiconductors: from Materials Physics to Optoelectronic Devices. Adv. Mater. 2021, 33, 2006230. DOI: 10.1002/adma.202006230

[3] H. Peelaers, et al., Limitations of In₂O₃ as a transparent conducting oxide. Appl. Phys. Lett. 2019, 115, 082105. DOI: 10.1063/1.5109569

（本文由小希供稿）