寧波材料所氧化物雙極性晶體管和反相器研究獲得新進(jìn)展
迄今已報(bào)道的氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管都表現(xiàn)為單類型電荷傳導(dǎo)，即電子傳導(dǎo)（n型）或空穴傳導(dǎo)（p型），而可同時(shí)、可控傳導(dǎo)電子和空穴（即雙極性電荷傳導(dǎo)，見圖1a，電子和空穴類似于陰陽八卦系統(tǒng)的陰陽兩面）的薄膜晶體管的研發(fā)也十分重要。一方面，雙極性器件給傳統(tǒng)的電荷傳導(dǎo)單一耗能器件賦予了全新功能，為光發(fā)射、光傳感、光探測薄膜晶體管等多功能器件以及新一代非硅基邏輯電路的設(shè)計(jì)制備提供了可能；另一方面，采用雙極性器件可簡化電路的設(shè)計(jì)和制備流程（不需要繁多的圖形化以及后續(xù)的摻雜步驟），從而大大減少相關(guān)器件、電路制造的復(fù)雜程度。
雙極性氧化物薄膜晶體管的實(shí)現(xiàn)，首先面臨溝道材料的挑戰(zhàn)。目前，多數(shù)高性能氧化物半導(dǎo)體（如氧化鋅、氧化錫等）表現(xiàn)為n型，而其價(jià)帶頂氧2p軌道的構(gòu)成特點(diǎn)（方向性強(qiáng)、大的電負(fù)性及深能級(jí)）使其p型摻雜非常困難。曹鴻濤研究組研究發(fā)現(xiàn)，氧化亞錫（SnO）的價(jià)帶頂具有錫5s軌道構(gòu)成特點(diǎn)（各向同性、較淺的能級(jí)），其導(dǎo)帶底則主要由錫5p軌道構(gòu)成且具有類自由電子傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，因而氧化亞錫可同時(shí)作為空穴和電子傳輸?shù)膶?dǎo)體。此外，SnO除具有較寬的光學(xué)直接帶隙（~2.7 eV）而使其保持較高的透明性之外，還具有窄的理論間接帶隙（~0.5 eV）從而使其相關(guān)器件具有雙極性行為。
圖1 （a）雙極性薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖
圖1 （b）氧化亞錫雙極性薄膜晶體管機(jī)構(gòu)示意圖（插圖）及其輸出特性曲線
其次，雙極性氧化物薄膜晶體管的實(shí)現(xiàn)還面臨器件設(shè)計(jì)與制備方面的挑戰(zhàn)。在雙極性薄膜晶體管中，空穴和電子必須從源漏電極有效注入溝道，并可以通過靜電勢極性的控制來分別操縱它們的輸運(yùn)。近期，曹鴻濤研究組通過源漏電極材料的選擇、SnO中錫氧比的控制成功制備了多晶SnO雙極性薄膜晶體管（圖1b插圖，其中Ni/Au、SnO及SiO2分別為晶體管的源漏電極、溝道及柵介質(zhì)層）。其輸出特性表現(xiàn)出了顯著的n型和p型雙極性行為以及近似對(duì)稱的輸出特征（圖1b）。該晶體管n型工作下飽和區(qū)和線性區(qū)場效應(yīng)遷移率分別為~0.63 cm2V-1s-1和~1.02 cm2V-1s-1，p型工作下則分別為~0.16 cm2V-1s-1和~0.32 cm2V-1s-1。
在雙極性SnO薄膜晶體管的基礎(chǔ)上，研究人員還成功制備了雙極性類CMOS反相器（圖2a，反相器由兩個(gè)完全相同的晶體管連結(jié)而成，并采用同一個(gè)柵介質(zhì)和柵極作為輸入端VIN）。該反相器可以同時(shí)在第一（圖2b右）和第三象限（圖2b左）工作， 且其最大微分增益分別達(dá)到30.6 和 31.3 (圖2c)，優(yōu)于采用微晶硅或有機(jī)物半導(dǎo)體制備的雙極性晶體管（5-20）。其次，反相器還表現(xiàn)出了較好的電壓擺幅(大于輸出電壓的82%)和寬的噪聲容限(~20%)，并可以在空氣中長期穩(wěn)定工作（圖2d）。
圖2 （a）雙極性SnO反相器的結(jié)構(gòu)示意圖
（b）反相器工作在第一（右）和第三（左）象限的電壓轉(zhuǎn)移特性曲線；
（c）反相器工作在第一（右）和第三（左）象限的微分增益譜；
（d）反相器的最大增益和閾值電壓隨其暴露在空氣中的時(shí)間演化關(guān)系。
上述研究結(jié)果已申請(qǐng)中國發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)?201210040980.9），學(xué)術(shù)研究結(jié)果發(fā)表在Appl. Phys. Lett.（2012, 100, 263502）期刊上。SnO薄膜（ZL200910152532.6）和p型薄膜晶體管（ZL201010040097.0）等成果已獲中國發(fā)明專利授權(quán)。
以上研究工作得到國家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃納米專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金及寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。
（納米事業(yè)部）