刘奥教授，全职回国，发最新Nature！
刘奥博士、电子科技大学教授、博士生导师。先进半导体材料和器件课题组负责人。2022年博士毕业于韩国工科排名第一的浦项科技大学，在新型半导体材料（如氧化物、钙钛矿、卤化物等）开发和薄膜晶体管（TFT）器件方向做出系列开拓、原创性成果。随后加入美国西北大学从事光电器件与室温中红外探测相关的博士后研究。迄今共发表论文80余篇，其中以第一/通讯作者（含共同）在Nature, Science, Nature Electronics (3篇), Nature Communications (2篇), Advanced Materials (4篇), Advanced Functional Materials (3篇)等期刊发表论文50余篇，封面论文8篇。论文被引用4500余次，h因子39（Google Scholar）。多次被Nat. Electron., Nature Portfolio, ACS Energy Lett., Tech Xplore等学术期刊和媒体亮点报道。授权中美韩发明专利10余项。获得了多项重要奖项，如Gordon Research Conferences“最佳论文奖”（2022年，亚太地区唯一获奖者），中国政府优秀自费留学生奖（2022年），韩国信息显示协会“青年领袖奖”（2022年），浦项科技大学工学最高奖“张根秀”奖（2022年）。受邀担任Materials Today Electronics杂志“执行客座编辑”。
今天，刘奥最新研究成果成功发表在《Nature》上，下面，就让小编带大家一起观摩一下刘奥教授的最新研究成果。
用于非晶 p 沟道晶体管的硒合金氧化碲
开发高流动性非晶p型氧化物半导体有望推进CMOS技术及多功能电子器件的集成。目前挑战在于价带最大（VBM）态的局域性，这主要由氧2p轨道的各向异性导致。尽管传统p型氧化物如Cu2O和SnO通过轨道杂化展现良好p型特性，但其性能仍受限，包括晶体通道。非晶氢化硅因低成本和大面积生产优势被考虑，但低空穴迁移率限制了其现代应用。高迁移率的低温多晶硅已用于特定电路和显示应用，但受限于中小规模器件，原因是复杂工艺和生产挑战。研究正探索有机化合物、金属卤化物和低维纳米材料作为晶体管p型半导体，但这些材料面临结晶状态下性能最佳、稳定性差、生产复杂等问题
在此，电子科技大学刘奥教授联合浦项科技大学Huihui Zhu和Yong-Young Noh教授介绍了一种开创性的非晶 p 型半导体设计策略，即在非晶亚氧化碲基质中加入高活性碲，并展示了其在高性能、稳定 p 沟道 TFT 和互补电路中的应用。理论分析揭示了碲 5p 带与浅受体态的脱域价带，从而实现了过量空穴掺杂和传输。硒合金抑制了空穴集中，促进了 p 轨道的连通性，从而实现了高性能 p 沟道 TFT，其平均场效应空穴迁移率约为 15 cm2 V-1 s-1，导通/关断电流比为 106 ~ 107，同时在偏压和环境老化条件下具有晶圆尺度的一致性和长期稳定性。这项研究标志着在以低成本和工业兼容的方式建立商业上可行的非晶 p 沟道 TFT 技术和互补电子器件方面迈出了关键的一步。相关成果以“Selenium alloyed tellurium oxide for amorphous p-channel transistors”为题发表在《Nature》上。刘奥为通讯兼一作。
本研究提出了一种设计非晶p型半导体的新方法，即在非晶亚氧化碲（Te-TeOx，0<x≤2）中加入高活性碲形成混合相。通过热蒸发法沉积Te-TeOx薄膜，并进行225℃的低温退火。通过将硒与TeO2粉末混合进一步沉积硒合金化的Te-TeOx。X射线衍射（XRD）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析确认了薄膜的非晶态特征，展示了其无定形和短程无序的微观结构。X射线吸收近缘结构（XANES）光谱和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的分析表明，薄膜由Te-TeOx的混合相组成，显示出Te与氧之间的配位变化，导致非晶结构的形成。这种结构可能由Te-TeOx混合相组成，为非晶p型半导体材料提供了一种新的制备路径。
图 1 非晶态硒合金化 Te-TeOx 的结构特征
基于XANES/EXAFS结果获得的洞察和通过X射线反射率测量得到的薄膜密度约为5.6 g/cm³，作者采用密度泛函理论（DFT）进行了计算分析。针对非晶态Te-TeOx，DFT计算的径向分布函数（RDF）显示出Te-O2长键的减弱。由计算生成的原子结构揭示了多种Te-Te键及Te原子对氧的不同配位状态（0-、1-、2-和3-倍配位）。计算结果表明，Te与氧的平均配位数约为2.5。电子态密度（DOS）分析表明，价带最大（VBM）主要受到部分占据的Te-5p缺陷态支配，这些缺陷态主要源自Te-TeOx中的Te原子，为空穴传输提供通道，同时也是浅层受体。Te-5p态在整个非晶结构中的空间分布和延伸，结合Te-TeOx中丰富的Te含量，促进了分散的VBM形成。图2d和2e分别展示了Te-5p缺陷带及其附近浅受体态的电荷密度分布
图 2 原子和电子结构
为评估Te-TeOx半导体在电子器件中的应用潜力，研究者制作了采用镍电极和100纳米SiO₂介电层的底栅顶接触薄膜晶体管（TFT）。Te-TeOx TFT展现出典型的p型沟道特性，平均空穴迁移率为4.2 cm²/Vs，开/关比约为10⁴，起始电压正向偏移，指示较高的沟道空穴浓度。掺硒后，TFT性能提升，起始电压和关态电流降低，空穴迁移率增至约15 cm²/Vs。通过调整沟道层厚度和退火温度，优化了硒掺杂Te-TeOx TFT，展现出良好的输出曲线特性和低接触电阻。硒掺杂显著改善了电学特性，EXAFS分析确认硒成功合金化，通过调整Se/Te比例，进一步优化了空穴传输特性。恒定偏压测试表明，硒掺杂Te-TeOx TFT具有良好的工作稳定性和环境耐久性，阈值电压在长时间测试后稳定，主要不稳定性源自电荷捕获。这些结果突显了Te-TeOx基半导体，尤其是经硒掺杂后，在电子器件应用中的高潜力和优异性能
图 3 100 纳米二氧化硅电介质上非晶 p 沟道 Se-alloyed Te-TeOx TFT 的电气特性
最终，为展示Se掺杂Te-TeOx与现有n型金属氧化物技术的兼容性，研究者成功集成了包括反相器、NAND门和NOR门在内的互补逻辑器件。采用n通道In2O3和p通道Se掺杂Te-TeOx TFT的反相器展现了在20V电源电压下高达1300的电压增益和快速电压转换能力，以及82% VDD/2的高噪声裕量，证明了其在级联集成电路中对噪声和输入信号变化的强大耐受力。电路的泄漏电流随VDD变化的关系也被探究。为实现更低的电流水平，未来工作将聚焦于降低电源电压、减小TFT尺寸及调整Se掺杂Te-TeOx TFT的起始电压至约0V，进一步优化器件性能。
图 4 100 纳米 HfO2 介质上的集成 CMOS 电路
小结：总之，作者通过可扩展的热蒸发方法，利用基于非晶混合相 Te-TeOx 的半导体展示了高性能、稳定的 p 沟道 TFT。与已报道的新兴非晶 p 型半导体相比，所提出的 Se-alloyed Te-TeOx 具有卓越的电气性能、成本效益、高稳定性、可扩展性和可加工性。制造程序与工业生产线和生产线后端技术无缝衔接。混合相策略为设计新一代稳定的非晶 p 型半导体引入了一种新方法。作者期望这项研究能启动半导体器件方面的研究课题，并促进具有成本效益、大面积、稳定和灵活的互补电子器件和电路的实现和商业化。
