迄今已報導的氧化物半導體薄膜電晶體都表現為單類型電荷傳導，即電子傳導（n型）或空穴傳導（p型），而可同時、可控傳導電子和空穴（即雙極性電荷傳導，見圖1a，電子和空穴類似於陰陽八卦系統的陰陽兩面）的薄膜電晶體的研發也十分重要。一方面，雙極性器件給傳統的電荷傳導單一耗能器件賦予了全新功能，為光發射、光傳感、光探測薄膜電晶體等多功能器件以及新一代非矽基邏輯電路的設計製備提供了可能；另一方面，採用雙極性器件可簡化電路的設計和製備流程（不需要繁多的圖形化以及後續的摻雜步驟），從而大大減少相關器件、電路製造的複雜程度。
雙極性氧化物薄膜電晶體的實現，首先面臨溝道材料的挑戰。目前，多數高性能氧化物半導體（如氧化鋅、氧化錫等）表現為n型，而其價帶頂氧2p軌道的構成特點（方向性強、大的電負性及深能級）使其p型摻雜非常困難。中科院寧波材料技術與工程研究所曹鴻濤研究組發現，氧化亞錫（SnO）的價帶頂具有錫5s軌道構成特點（各向同性、較淺的能級），其導帶底則主要由錫5p軌道構成且具有類自由電子傳輸的特點，因而氧化亞錫可同時作為空穴和電子傳輸的導體。此外，SnO除具有較寬的光學直接帶隙（~2.7 eV）而使其保持較高的透明性之外，還具有窄的理論間接帶隙（~0.5 eV），從而使其相關器件具有雙極性行為。
雙極性氧化物薄膜電晶體的實現還面臨器件設計與製備方面的挑戰。在雙極性薄膜電晶體中，空穴和電子必須從源漏電極有效注入溝道，並可以通過靜電勢極性的控制來分別操縱它們的輸運。近期，曹鴻濤研究組通過源漏電極材料的選擇、SnO中錫氧比的控制，成功製備了多晶SnO雙極性薄膜電晶體（圖1b插圖，其中Ni/Au、SnO及SiO2分別為電晶體的源漏電極、溝道及柵介質層）。其輸出特性表現出了顯著的n型和p型雙極性行為以及近似對稱的輸出特徵（圖1b）。該電晶體n型工作下飽和區和線性區場效應遷移率分別為~0.63 cm2V-1s-1和~1.02 cm2V-1s-1，p型工作下則分別為~0.16 cm2V-1s-1和~0.32 cm2V-1s-1。
在雙極性SnO薄膜電晶體的基礎上，研究人員還成功製備了雙極性類CMOS反相器（圖2a，反相器由兩個完全相同的電晶體連結而成，並採用同一個柵介質和柵極作為輸入端VIN）。該反相器可以同時在第一（圖2b右）和第三象限（圖2b左）工作， 且其最大微分增益分別達到30.6和31.3(圖2c)，優於採用微晶矽或有機物半導體製備的雙極性電晶體（5-20）。其次，反相器還表現出了較好的電壓擺幅(大於輸出電壓的82%)和寬的噪聲容限(~20%)，並可以在空氣中長期穩定工作（圖2d）。
上述研究結果已申請中國發明專利（申請號 201210040980.9），相關研究論文發表在Appl. Phys. Lett.（2012, 100, 263502）期刊上。SnO薄膜（ZL200910152532.6）和p型薄膜電晶體（ZL201010040097.0）等成果已獲中國發明專利授權。
以上研究工作得到國家重大基礎研究計劃納米專項、國家自然科學基金及寧波市科技創新團隊等項目的支持。
圖1 （a）雙極性薄膜電晶體的結構示意圖
圖1 （b）氧化亞錫雙極性薄膜電晶體機構示意圖（插圖）及其輸出特性曲線
圖2 （a）雙極性SnO反相器的結構示意圖；（b）反相器工作在第一（右）和第三（左）象限的電壓轉移特性曲線；（c）反相器工作在第一（右）和第三（左）象限的微分增益譜；（d）反相器的最大增益和閾值電壓隨其暴露在空氣中的時間演化關係。