关于掺杂实现有效p型金属氧化物半导体及其导电机理的探索

Metal Oxides semiconductors turn into the most promising new generation plannar pannel display driving technique which will replace Si-based thin-film-transistors (TFT), due to their advantages about high mobility, high stability, possibility for simple and large-area processing and flexibility.From 2003, metal oxide based transparent TFTs underwent emerging to commercialization. However, most metal oxides are n-type conductive, and only n-type metal oxides semiconductors have been commercialized. Designing and developing p-type metal oxides is always a huge challenge. Since p-n juction and CMOS are the basic units of most semiconductor devices and logic circuits, lacking of p-type metal oxides seriously limits the applications of metal oxides semiconductos in the above areas. Understanding the p-type conductive mechanism of metal oxides is the key of resolving such problem. The proposal aims for clarify the carrier tranporting way as conductive mechanism in non-doping and doping p-type metal oxides, from the point of view about electronic structure, via both calculation and experimental methods.

金属氧化物半导体以其高迁移率、高稳定性、工艺简单、可大面积成膜、可柔性等特性，成为最有可能取代硅基薄膜的新一代平板显示有源驱动材料。2003年以来，金属氧化物透明薄膜晶体管实现了从无到有、再到产业化的迅猛发展。然而绝大多数金属氧化物都表现出n-型导电，也仅有n-型金属氧化物半导体已投入使用。设计和制备p-型金属氧化物具有很大的难度，多年来都没有明显进展。p型金属氧化物的匮乏严重制约了氧化物半导体在以p-n结与CMOS为核心的微电子领域的应用。理解金属氧化物的p-型导电机理是从根本上是解决这一难题的理论基础。本项目的提出旨在从电子态结构角度出发，以理论与实验相结合的方式系统探索非掺杂与掺杂的p-型金属氧化物的载流子输运方式与导电机制。

高性能p型氧化物半导体的匮乏严重制约了氧化物半导体在CMOS互补逻辑电路、p/n结为核心的电子电路领域的应用。氧化亚锡（SnO）因其本征p型、Sn空位缺陷增强p型导电等特性被公认为最有希望实现产业化应用的p型氧化物半导体之一。然而，目前p型SnO薄膜晶体管（TFT）因其低开关（10^3）等问题使其距离满足工业化需求仍有一定的距离。.针对以上现状，本项目结合理论计算与实验研究，对SnO基薄膜的导电机理进行了系统研究：（1）单晶SnO为能带传输机理；（2）多晶SnO在高温（80-300K）下为能带传输为主导，而低温（10-80K）下为多样跃迁机理为主导；（3）氮替位掺杂可增大价带顶态密度、减小空穴有效质量，从而增强p型导电。（4）含少量SnO2的SnO薄膜的双极性导电机理：在负向偏置栅压下实现常规p型导电，而在正向偏置栅压下， 电子可由SnO2中的导带跃迁至SnO的导带中进行输运而实现n型导电。以上机理研究对于设计高性能的SnO半导体器件与电子电路具有主要的理论指导价值。.在深刻理解以上导电机理的基础上，我们最终实现了：（1）高性能p型SnO基TFT的研制，其空穴迁移率高达～1.4 cm2/Vs，开关比高达～10^4，达到了目前世界上p型SnO基底栅TFT器件综合性能的最好水平。（2）高性能双极性SnOx-TFT的制备，其开关比高达～10^3，该成果使得制备基于双极性SnOx-TFT的互补逻辑器件成为可能，这将解决目前制备低成本全金属氧化物半导体互补逻辑电路的根本性难题——不同p、n材料所要求的制备工艺的不兼容性，并将大大降低其工艺难度与工艺成本。（3）与p型SnO半导体器件互补的n型InGaZnO二极管与TFT，其中所制备的柔性InGaZnO肖特基二极管的工作频率高达6.25GHz，完全满足蓝牙、wifi、手机通讯等功能的需求，为目前世界柔性肖特基二极管的最高水平。n型InGaZnO-TFT在活性层厚度减薄至5nm时，仍可保证高性能（迁移率～4cm2/Vs，开关比高达～10^5）工作。这些成果为接下来将这些n型InGaZnO二极管、TFT与p型SnO器件的互补集成，并最终实现全金属氧化物半导体互补电路与功能芯片奠定了基础。