《自然》最新成果突破領域二十年研究瓶頸

近日，電子科技大學研究團隊首創高遷移率穩定的非晶P型（空穴）半導體器件，突破該領域二十余年的研究瓶頸，進一步推動現代信息電子學和大規模互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的發展。該成果由電子科技大學和韓國浦項科技大學共同合作完成，在線發表于《自然》。

相比于多晶半導體，非晶體系具有諸多優勢，如低成本、易加工、高穩定性以及大面積制造均勻等。然而，傳統的非晶氫化硅因電學性能不足而急需探索新材料。自2004年首次基于非晶N型（電子）銦鎵鋅合金氧化物薄膜晶體管（TFT）報道以來，極大推動了半導體電子學和新一代信息顯示技術的發展。

但目前，研發性能相當的非晶P型半導體面臨著重大挑戰，嚴重阻礙了新型電子器件研發和大規模N-P互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的發展。傳統氧化物半導體因高局域態價帶頂和自補償效應，導致空穴傳輸效率極差，難以滿足應用需求。科研人員因此投入大量精力開發新型非氧化物P型半導體，不過，這些新材料只能在多晶態下展現一定的P型特性。此外，這些材料還存在穩定性和均勻性等固有缺陷，且難以與現有工業制程工藝兼容。

鑒于此，該團隊提出了一種新穎的碲(Te)基復合非晶P型半導體設計理念，并采用工業制程兼容的熱蒸鍍工藝實現了薄膜的低溫制備，證明了在高性能、穩定的P溝道TFT器件和CMOS互補電路中的應用可行性。

通過理論分析，研究團隊揭示了由碲5p軌道組成的高分散價帶頂和淺能級受體態，為非晶體系下足量的空穴摻雜和有效空穴傳輸奠定了重要基礎。

此外，進一步的研究表明，硒合金化處理可以有效調節空穴濃度，實現了場效應空穴遷移率達到15cm2/Vs和電流開關比約為107的高性能P溝道TFT器件。這些器件展現了良好的偏置應力和環境穩定性，以及晶圓尺度的均勻性。該碲基材料體系在性能上遠優于已報道的其他新興非晶P型半導體材料，并展現出卓越的經濟性、穩定性、可擴展性和加工性，其制備工藝與工業生產線和后端集成技術完美兼容。這種復合相策略為設計新一代穩定的非晶P型半導體材料帶來了新的啟發。

這項研究將推動P型半導體器件的研究熱潮，并在建立商業上可行的非晶P溝道TFT技術和低功耗CMOS集成器件邁出了重要的一步。