本文來源：電子科技大學

4月10日，電子科技大學基礎與前沿研究院劉奧教授和物理學院朱慧慧研究員的最新研究成果以“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”爲題上線Nature“加速預覽”（Accelerated Article Preview，AAP），在新型半導體材料和器件領域取得重大突破。

AAP作爲Nature雜志的提前在線發布形式之一，是對期刊編輯、同行科學家認爲的具有重大科學意義研究成果的加速報道。該項研究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，將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。論文第一單位爲電子科技大學基礎與前沿研究院，劉奧教授爲論文第一作者和通訊作者，電子科技大學物理學院朱慧慧研究員和韓國浦項科技大學的Yong-Young Noh爲論文共同通訊作者。

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）铟鎵鋅合金氧化物薄膜晶體管（TFT）報道以來（Nature 432, 488, 2004），極大推動了半導體電子學和新一代信息顯示技術的發展。

然而，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，但目前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。

圖1 新型非晶碲(Te)基複合半導體的結構和能帶解析

在過去二十余年裏，領域科研人員不斷改進和優化“價帶軌道雜化理論”，嘗試實現高空穴遷移率的P型氧化物基半導體，但收效甚微。這也導致領域專家普遍認爲，實現高性能的非晶P型半導體和CMOS器件是一項“幾乎不可能完成的挑戰”。

圖2 基于新型非晶碲(Te)基複合半導體的器件分析

鑒于此，該團隊提出了一種新穎的碲(Te)基複合非晶P型半導體設計理念，並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，揭示了由碲5p軌道組成的高分散價帶頂和淺能級受體態，爲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（圖1）。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和電流開關比約爲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（圖2）。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，並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産線和後端集成技術完美兼容。這種複合相策略爲設計新一代穩定的非晶P型半導體材料帶來了新的啓發。這項研究將開啓P型半導體器件的研究熱潮，並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。

劉奧教授團隊以我國“十四五”國家重點研發計劃在電子信息、新型顯示與戰略性電子材料等領域的戰略需求爲牽引，以強化國家戰略科技力量爲目標，致力于具有重要基礎前沿研究價值及重大産業化前景的新型高遷移率、高穩定P型半導體材料及電子器件研究，持續助力我國新一代信息技術的跨越式發展。

作者介紹

劉奧，電子科技大學基礎與前沿研究院教授、國家青年人才。研究聚焦于新型半導體信息材料的研發及産業制程兼容的電子薄膜和功能器件集成，在新型P型半導體材料開發和薄膜晶體管（TFT）集成方向做出系列開拓、原創性成果，過去10年持續推進該領域研究進展。以第一/通訊作者（含共同）在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Communications等期刊發表論文50余篇，封面論文8篇。論文被引用4800余次，h因子40。授權中、韓發明專利10余項。獲得了多項重要獎項，如Gordon Research Conferences“最佳論文獎”（2022年，亞太地區唯一獲獎者），中國政府優秀自費留學生獎，韓國信息顯示協會“青年領袖獎”等。

朱慧慧，電子科技大學物理學院特聘研究員、博士生導師。主要研究興趣包括鈣钛礦薄膜晶體管等電子器件、新型半導體材料、中長波紅外探測等。迄今共發表論文70余篇，其中以第一/通訊作者（含共同）在Nature，Nature Electronics，Nature Communications，Advanced Materials等期刊發表論文30余篇，封面論文7篇。論文被引用3700余次，h因子34。曾獲多項重要獎項，如第十七屆“春晖杯”中國留學人員創新創業大賽優勝獎、韓國三星“産研結合獎”，美國寰宇顯示“技術先驅獎”、中國政府優秀自費留學生獎、韓國信息顯示協會獎、浦項制鐵亞洲獎學金(POSCO Asia Fellowship)、Ruth L. Satter Fellowship（傑出女性科學家獎學金）等。