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宁波材料所氧化物双极性晶体管和反相器研究获得新进展
作者：，日期：2012-06-27

迄今已报道的氧化物半导体薄膜晶体管都表现为单类型电荷传导，即电子传导（n型）或空穴传导（p型），而可同时、可控传导电子和空穴（即双极性电荷传导，见图1a，电子和空穴类似于阴阳八卦系统的阴阳两面）的薄膜晶体管的研发也十分重要。一方面，双极性器件给传统的电荷传导单一耗能器件赋予了全新功能，为光发射、光传感、光探测薄膜晶体管等多功能器件以及新一代非硅基逻辑电路的设计制备提供了可能；另一方面，采用双极性器件可简化电路的设计和制备流程（不需要繁多的图形化以及后续的掺杂步骤），从而大大减少相关器件、电路制造的复杂程度。

双极性氧化物薄膜晶体管的实现，首先面临沟道材料的挑战。目前，多数高性能氧化物半导体（如氧化锌、氧化锡等）表现为n型，而其价带顶氧2p轨道的构成特点（方向性强、大的电负性及深能级）使其p型掺杂非常困难。曹鸿涛研究组研究发现，氧化亚锡（SnO）的价带顶具有锡5s轨道构成特点（各向同性、较浅的能级），其导带底则主要由锡5p轨道构成且具有类自由电子传输的特点，因而氧化亚锡可同时作为空穴和电子传输的导体。此外，SnO除具有较宽的光学直接带隙（~2.7 eV）而使其保持较高的透明性之外，还具有窄的理论间接带隙（~0.5 eV）从而使其相关器件具有双极性行为。 

 

图1 （a）双极性薄膜晶体管的结构示意图

 

图1 （b）氧化亚锡双极性薄膜晶体管机构示意图（插图）及其输出特性曲线

 

其次，双极性氧化物薄膜晶体管的实现还面临器件设计与制备方面的挑战。在双极性薄膜晶体管中，空穴和电子必须从源漏电极有效注入沟道，并可以通过静电势极性的控制来分别操纵它们的输运。近期，曹鸿涛研究组通过源漏电极材料的选择、SnO中锡氧比的控制成功制备了多晶SnO双极性薄膜晶体管（图1b插图，其中Ni/Au、SnO及SiO2分别为晶体管的源漏电极、沟道及栅介质层）。其输出特性表现出了显著的n型和p型双极性行为以及近似对称的输出特征（图1b）。该晶体管n型工作下饱和区和线性区场效应迁移率分别为~0.63 cm2V-1s-1和~1.02 cm2V-1s-1，p型工作下则分别为~0.16 cm2V-1s-1和~0.32 cm2V-1s-1。

在双极性SnO薄膜晶体管的基础上，研究人员还成功制备了双极性类CMOS反相器（图2a，反相器由两个完全相同的晶体管连结而成，并采用同一个栅介质和栅极作为输入端VIN）。该反相器可以同时在第一（图2b右）和第三象限（图2b左）工作， 且其最大微分增益分别达到30.6 和 31.3 (图2c)，优于采用微晶硅或有机物半导体制备的双极性晶体管（5-20）。其次，反相器还表现出了较好的电压摆幅(大于输出电压的82%)和宽的噪声容限(~20%)，并可以在空气中长期稳定工作（图2d）。

 

 

 

　　　　　　　　　　 图2 （a）双极性SnO反相器的结构示意图

　　　　　　　　　　　　 （b）反相器工作在第一（右）和第三（左）象限的电压转移特性曲线；

　　　　　　　　　　　　 （c）反相器工作在第一（右）和第三（左）象限的微分增益谱；

　　　　　　　　　　　　 （d）反相器的最大增益和阈值电压随其暴露在空气中的时间演化关系。

 

 

 上述研究结果已申请中国发明专利（申请号 201210040980.9），学术研究结果发表在Appl. Phys. Lett.（2012, 100, 263502）期刊上。SnO薄膜（ZL200910152532.6）和p型薄膜晶体管（ZL201010040097.0）等成果已获中国发明专利授权。

以上研究工作得到国家重大基础研究计划纳米专项、国家自然科学基金及宁波市科技创新团队等项目的支持。

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （纳米事业部）