“空穴”《自然》最新成果突破领域二十年研究瓶颈

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近日，电子科技大学研究团队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，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，在线发表于《自然》。

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，极大推动了半导体电子学和新一代信息显示技术的发展。

但目前，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，不过，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。

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，研究团队揭示了由碲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。

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。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。

这项研究将推动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。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07360-w

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