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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-033）——超高迁移率非晶ZnAlSnO薄膜晶体管

已有 523 次阅读 2023-12-25 15:26 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——超高迁移率非晶ZnAlSnO薄膜晶体管

随着现代社会的发展和进步，人们对显示技术的要求越来越高。透明显示、3D显示、柔性显示、高清显示等被认为是新一代显示技术。在显示器件中，薄膜晶体管（TFT）是最为关键的芯片之一。目前，商业上广泛应用的是Si基TFT，但Si是窄禁带半导体，可见光不透明，光敏性强，需要加掩膜层，像素开口率低，限制了显示性能，不适用于新一代显示技术。

为此，宽禁带氧化物半导体TFT进入人们的视野。2004年，Nomura等人以InGaZnO非晶薄膜为沟道层，制备出非晶氧化物半导体（AOS）TFT，文章发表在Nature上。这篇论文是一个里程碑式的进展，开创了AOS TFT的研究方向。近二十年来，以非晶InGaZnO （a-IGZO）TFT为代表的AOS TFT发展迅速。三星、LG等几家知名的半导体公司利用InGaZnO TFT，已研制出12英寸有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）和15英寸有源矩阵液晶显示器（AMLCD）的原型产品。但是，AOS TFT依然存在一些科技难题没有解决，其中的一个关键与核心问题是：如何实现超高迁移率AOS TFT？如果AOS TFT能够稳定地实现超高迁移率（大于100 cm²/(V·s) ），将会极大促进新一代显示技术的发展。此外，InGaZnO材料还存在自身的不足之处，In是一种稀有贵重金属，地质储量极其有限，成本很高，可持续发展也受到限制。因而人们亟需开发一种无铟（In）的超高迁移率AOS TFT器件。

针对上述科技难题，浙江大学叶志镇院士团队吕建国小组开展了大量的研究工作，设计无铟AOS材料，构建了a-ZnMSnO新体系，其中，Zn为基体元素，Sn具有4d¹⁰5s⁰球形电子云结构，提供载流子传输通道，M为载流子控制元素，M=Si、Ti、Al、Nb、Ge、Mg、Hf。在高价态M元素中，Al具有很低的标准电极电势（-1.66 eV）和很强的Al-O键能（512 kJ/mol），是一种非常有效的载流子控制元素。因而，作为一种无铟无镓的AOS材料，非晶ZnAlSnO（a-ZATO）是一种不同于a-InGaZnO的新选择。

近期，浙江大学吕建国副研究员、赵毅研究员、叶志镇教授等科研团队通力合作，在超高迁移率薄膜晶体管方面再次取得突破。提出了同质结复合沟道层AOS TFT的设计理念，研制出非晶ZnAlSnO基TFT，饱和迁移率高达113.8 cm²/(V·s)。薄膜晶体管采用同质结复合结构，在有源层中耦合了两种梯度，即微观结晶态的梯度变化和载流子控制剂的梯度变化，实现了沟道层中载流子浓度的梯度调控，达到了通道开关与载流子输运的分离，极大地提高了场效应迁移率，同时降低了关态电流，使阈值电压正向偏移，AOS TFT芯片具有优异的综合电学性能，能够满足新型显示技术对超高速率、高集成度、高稳定性的需求，对未来信息和电子技术的发展具有重要意义。2023年5月10日，相关研究成果以“超高迁移率同质结构非晶氧化物薄膜晶体管（Homojunction structure amorphous oxide thin film transistors with ultra-high mobility）”为题，在线发表于《半导体学报》（Journal of Semiconductors）。

在非晶ZnAlSnO薄膜晶体管中，采用三层结构的同质结复合沟道层，在SiO₂绝缘层上依次沉积：3 nm的非晶ZnSnO（a-ZTO），900 ℃原位退火，为沟道底层；10 nm的a-ZATO，500 ℃原位退火，为沟道中间层；5 nm的a-ZATO，不退火，为沟道顶层。图1a为器件结构示意图，“a-ZATO (as-grown)/a-ZATO(annealed)/a-ZTO(annealed)”作为复合沟道层，图1b、1c为其横截面HRTEM图。选区电子衍射（SAED）显示了混合多晶（环）和非晶（扩散环）的图案，在底层中观察到了微结晶区的存在，从沟道层的底部到顶部存在从多晶相到非晶相的转变。图1d、1e为各元素的能量色散X射线（EDX）的线扫描图，从中可以看出作为载流子控制剂的Al元素具有明显的梯度分布，由于加热退火的扩散效应，在a-ZTO底层中也检测到了Al的存在，从沟道层的底部到顶部存在Al含量逐渐增加的梯度变化。

_{图1. 采用同质结复合沟道层的非晶ZnAlSnO薄膜晶体管：(a)TFT器件结构示意图；(b, c)沟道层横截面HRTEM图；(d, e)沟道层元素EDX线扫描图。}

氧空位（Vo）是AOS的主要缺陷，与载流子浓度密切相关。基于X射线光电子能谱（XPS）分析，在同质结复合沟道层的三层结构中，底层a-ZTO、中间层a-ZATO和顶层a-ZATO中的Vo百分比分别为36.6%、28.2%和20.4%。由于与源极和漏极接触，顶层a-ZATO保持较低的Vo浓度，因而具有较低的载流子浓度，这可使费米能级向下移动，减少关态电流，并使Vth朝正向移动。中间层a-ZATO退火后Vo含量增加，而金属-氧键的比例略有下降。在底层a-ZTO中，Vo浓度最高，这会形成浅施主缺陷，可以增强载流子传输能力，与场效应迁移率正相关。我们在可比拟的条件下沉积相应的三层薄膜，Hall测试表明：原位生长a-ZATO薄膜载流子浓度为2.4×10¹⁶ cm⁻³；500 ℃退火a-ZATO薄膜载流子浓度为3.7×10¹⁹ cm⁻³；900 ℃退火a-ZTO薄膜载流子浓度为1.2×10²⁰ cm⁻³。综上可知，沟道底层a-ZTO载流子浓度的增加是由三方面因素引起的：微晶化程度增加、载流子控制剂减少、氧空位增加，因而底层的高电导率可以使聚集的电子在正偏压下快速传输。

为了对比研究，我们采用原位生长（未退火）a-ZATO单层薄膜为沟道层，同样制备出TFT器件。图2a-2c为同质结复合沟道层TFT的电学性能，图2d-2f为单一层沟道层TFT的电学性能。两类TFT器件在输出特性曲线中均出现了电流饱和现象，在低源漏电压（V_DS）下没出现电流拥挤，表明电极界面处为欧姆接触。转移特性曲线表明两类器件均具有典型的n型沟道特征，其关键性能参数可以通过相应的公式计算得出，如表1所列出。采用同质结复合沟道层的a-ZnAlSnO基TFT关键性能参数为：关态电流I_off=1.5×10^-11 A，开光电流比I_on/I_off=8.53×10⁷，阈值电压V_th=-1.71 V，饱和迁移率μ_sat=113.8 cm²/(V·s)，亚阈值摆幅SS=0.372 V/dec。可以看到在所有的指标中，同质结复合沟道层均远远优于单一层的沟道层，特别是表现出极高的饱和迁移率，而且电学性能稳定性优异。

_{图2. 具有不同沟道层结构的a-ZATO TFT电学特性。同质结复合沟道层TFT的(a)输出特性曲线，(b)转移特性曲线及其(c)相应的 I_DS^1/2~V_GS曲线；单一层沟道层TFT的(c)输出特性曲线，(d)转移特性曲线及其(e)相应的I_DS^1/2~V_GS}_曲线。

_{表 1. 具有不同沟道层结构的a-ZATO TFT器件关键电学参数。}

图3给出了单一层沟道层和同质结复合沟道层中载流子传导机制的示意图。在单一有源层的TFT器件中，载流子传输符合传统机制，“传输沟道”的形状受栅极电压调制，饱和模式下传输路径如图3a所示，饱和迁移率（μ_sat）不仅与沟道中载流子传导速率有关，而且还受多数载流子积累速率的影响。对于同质结有源层，载流子浓度从顶部到底部逐渐增加，底层电导率高，这使得大多数载流子更容易、更快地在栅极界面处积累，一旦载流子到达底层，就会在漏源电压下通过底层高电导区被快速传导走，其传输途径如图3b所示。因而，同质结复合沟道层a-ZATO TFT的载流子传导路径与传统的传导模式有显著区别，这是迁移率大幅增加的主要原因。自然，这种传导模式的实现依赖于同质结复合沟道层中各层厚度的优化设计，基于托马斯-费米屏蔽效应，我们对其进行了精细调控，得到了文中的优选结果。

_{图3. 在饱和模式下沟道层中载流子传导机制示意图：(a)单一有源层AOS TFT的载流子传导路径示意图；(b)同质结复合有源层AOS TFT的载流子传导路径模型图。}

理论上，AOS TFT迁移率由三个因素决定：其一，载流子通道元素（如In、Sn）4d¹⁰5s⁰轨道球形电子云重叠的程度，可以通过生长和处理工艺来改善；其二，载流子控制元素（如Ga、Al等）的含量，含量不足会使V_th过负，而过多会加剧载流子散射效应，导致迁移率下降；其三，IGZO和ZATO等AOS材料都是以渗流传导为主的离子半导体，虽然不存在晶界，但存在渗流通道对载流子的散射效应。因此，对于单一或均匀AOS有源层的TFT来说，获得高于100 cm²/(V·s)的迁移率是相当困难的。我们设计了同质结复合有源层的概念，通过调控微结晶程度和载流子控制元素的梯度分布，将沟道开启与载流子传输解耦，从而实现超高场效应迁移率，打破了这种固有限制，使得TFT迁移率较传统架构方式提高了一个数量级。

本文提出了一种AOS TFT高迁移率的设计策略，研制出了超高迁移率a-ZnAlSnO TFT，无铟AOS TFT场效应迁移率首次突破100 cm²/(V·s)。我们提供了一种有别于a-InGaZnO的一种新型高品质AOS材料，具有自主知识产权，克服了AOS TFT领域的国际专利垄断和技术壁垒。本文的超高迁移率a-ZnAlSnO TFT有望在新型显示技术等下一代信息电子产业中拥有巨大应用潜力。

该论文是在叶志镇院士的指导下完成的。论文的第一作者为浙江大学材料科学与工程学院博士研究生吕容恺、硕士研究生李思嵚。浙江大学大学材料科学与工程学院吕建国副研究员、浙江大学信息与电子工程学院赵毅研究员、浙江大学大学材料科学与工程学院叶志镇教授为论文的通讯作者。主要合作者还包括浙江大学大学材料科学与工程学院朱丽萍教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所诸葛飞研究员。该工作得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划等项目资助。

2 作者简介

通讯作者

吕建国，浙江大学材料科学与工程学院硅及先进半导体材料全国重点实验室副研究员、博士生导师，浙江科技大学兼职硕士生导师。

浙江省杰出青年基金获得者，入选浙江省151人才和钱江人才；国际IEEE学会会员，中国材料研究学会、中国物理学会、中国电子学会等高级会员；Chinese Chemical Letters、Tungsten、《化工生产与技术》等期刊编委。主要从事半导体电子材料的研究，包括半导体薄膜与透明电子学、纳米材料与新能源应用、功能涂层材料与海洋应用等三个研究方向，部分研究成果已实现了产业化。主持承担国家和省部级科研项目20余项，企业委托研发项目10余项。获国家自然科学二等奖1项（排名第三）、浙江省科学技术一等奖3项、教育部科技进步二等奖1项、全国百篇优博论文提名奖1项。授权国家发明专利70余件。出版“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材1部（2021年获首届全国教材建设奖全国优秀教材二等奖）、中英文学术专著2部。在Chemical Society Review、Advanced Materials、Nano Energy、IEEE TED、APL等国际期刊发表SCI论文200余篇，其中ESI热点论文1篇，高被引论文12篇；SCI引用11000余次，H因子51；中国高被引学者。

通讯作者

赵毅，浙江大学信息与电子工程学院研究员、博士生导师，华东师范大学集成电路科学与工程学院院长。

IEEE高级会员，（美国）加州大学伯克利分校访问学者。2007年（日本）东京大学博士毕业和工作一段时间后，前往美国Globalfoundries公司和IBM国际半导体研发联盟从事先进集成电路器件与工艺的研发工作。2012年全职回国，先后在南京大学、浙江大学担任教授、博导。目前担任华东师范大学集成电路科学与工程学院院长。主要研究方向为：逻辑存储融合架构的器件与芯片（存算一体化等），亚10纳米（锗硅和锗基等）CMOS器件工艺、器件物理及可靠性。多次在国际电子器件领域的权威会议IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)、IEEE Symposium VLSI Technology、IEEE International Reliability Physics Symposium(IRPS)上报告研究成果，获得2020年IRPS最佳论文奖(Best Paper Award)，以第一作者或通讯作者发表论文逾百篇。申请专利40多项。目前负责国家科技创新2030——“新一代人工智能”重大项目，曾负责国家“973”项目课题负责人，国家“02”重大科技专项项目中7/5nm、14nm 工艺研发相关课题、国家自然科学基金面上项目和浙江省重点研发计划项目等重要科研任务，并与国内主要集成电路制造、设计和应用企业保持着深入、良好的合作关系。

通讯作者

叶志镇，中国科学院院士，浙江大学材料科学与工程学院硅及先进半导体材料全国重点实验室教授、博士生导师，浙大材料科学与工程学院学术委员会主任，浙江大学温州研究院院长。

主要从事半导体光电薄膜材料的研究，研究方向包括化合物半导体与光电材料、透明导电材料、半导体传感材料。先后承担了国家“973”课题、国家自然基金重点等项目。共发表学术论文700余篇，SCI他引18000余次(H=68)；连续8年入选Elsevier“中国高被引学者”；授权发明专利140余件，其中部分已转让；获科技奖10余项，其中国家自然科学二等奖1项、省部科技一等奖4项；编著《半导体薄膜技术与物理》获2021年首届全国教材二等奖。1994年被评为国家重点实验室全国先进工作者获“金牛奖”；1996年入选教育部“跨世纪优秀人才”；1997年入选国家“百千万人才工程”；2007年选为浙江省突出贡献中青年专家；2008年被评为浙江省特级专家；2008年、2010年获中国百篇优秀博士论文提名奖指导教师；2012年评为浙江省“三育人”先进个人和学校标兵；2013年评为浙江省师德先进个人；2014年评为全国优秀教师，获浙江省高校教学成果一等奖。