高性能P沟道氧化物薄膜晶体管的制备及器件集成

With the increasing demands of low-energy consumption and high performance complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuits, the development of P-type metal oxide materials and P-channel thin film transistors (TFT) are becoming more and more important. The research of this project is to develop a novel process for low temperature, nontoxic, eco-friendly, and high-quality P-type metal oxide thin films with high mobility and high stability. The high performance P-type metal oxide materials will provide a candidate for the CMOS integrated circuits. This research includes four parts: 1) Water-inducement sol-gel technology and low temperature UV-decomposition processes are used to prepare the P-type metal oxide thin films; 2) High hole mobility is expected to be obtained by doping and optimizing the energy band structure; 3) High performance P-type thin films will be integrated with solution-processed ultrathin high-k dielectrics. The goal is to obtain the high performance, low voltage P-channel TFTs; 4) Explore the applcations of the P-channel TFTs in the CMOS integrated circuits, such as inverters and ring oscillators.

面对低功耗和高性能互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的迫切需求，P型氧化物材料和P沟道薄膜晶体管（TFT）的研究具有重要的意义。本项目以溶液法制备高质量P型氧化物薄膜为基础，开发低温、无毒、环境友好的P型氧化物材料；以实现高迁移率、高稳定性为目标，为CMOS集成电路提供低成本、高性能的P型氧化物材料。本课题包括四部分：1)利用‘水性’sol-gel技术和‘UV光退火’低温工艺制备高质量P型氧化物薄膜；2）通过设计掺杂实验，优化P型氧化物薄膜的能带结构，得到高空穴迁移率的P型氧化物材料；3）将制备的高性能P沟道薄膜与溶液法制备的超薄高k介电层集成，实现基于超薄高k介电层的高性能、低压操作P沟道TFT；4）深入探索溶液法制备的低压、高性能P型沟道层TFT在CMOS集成电路中的应用，比如在反相器和环形振荡器中的应用。

非晶氧化物半导体(AOS)薄膜晶体管(TFT)具有迁移率高、室温制备、适合大面积生产、成本低等优点，引起了学术界和工业界浓厚的兴趣。但P沟道氧化物薄膜晶体管（TFTs）的缺失限制了进一步的应用，P型金属氧化物是制备氧化物CMOS的必备部分，但制备P型氧化物半导体极为困难。本项目采用溶液法制备了系列P沟道氧化物TFTs，尤其采用溶液燃烧合成技术降低了溶液法制备P沟道氧化物的制备温度，并发表在Advanced Materials上，性能也得到极大的提升。此项目同时研究了制备TFT中影响比较大的因素是介电层的选取和制备，溶液法制备介电层更是工作中的难点。本项目采用的水性溶胶技术成功制备了多种超薄高k介电薄膜（ZrOx, HfO2等），并成功集成到了场效应器件中。在完成基本的目标之外，我们还研究了基于纳米纤维的场效应器件的制备和电解质晶体管在神经仿生领域的应用，拓展了水性溶胶技术的应用。同时在压电催化和电致变色领域的研究也有所进展。