薄膜電晶體-晶圓面積製備透明鋅摻雜CuI的高性能p型器件

2021-02-13 WEST可穿戴電子

N型半導體氧化物憑藉其寬禁帶、高電子遷移率和穩定性、大面積均一等優點，在下一代柔性透明電子中具有巨大的應用潛力。然而，其對應的P型半導體材料由於自身缺陷，始終展現低劣的電學性能。這也極大地限制了補償電子器件（CMOS）的發展。近幾年，研究人員專注於尋找新型的透明無機p型半導體用於高性能電晶體的製備。在眾多候選材料中，碘化銅（CuI）無疑是最有前景的應用材料。然而，由於其較低的銅空位（空穴源）形成能，CuI始終展現導體特性，因此，如何調節其高導電性但同時保持高透明度和穩定性成為該領域的難點和熱點。

在前期CuI電晶體技術基礎上（Adv. Mater. 30, 1802379,2018），韓國浦項科技大學Yong-YoungNoh課題組（劉奧，朱慧慧為共同一作）聯合韓國成均館大學Myung-Gil Kim，韓國科學技術院Se-Jun Kim，Hyungjun Kim博士和加拿大滑鐵盧大學Won-Tae Park博士通過理論和實驗結合的方式篩選出一種有效的空穴抑制元素。通過在前驅體溶液中引入適量的Zn2+，極大地抑制了空穴濃度並提升了載流子調控能力。製備的電晶體器件可以同時展現高遷移率（5cm2/Vs）和電流開關比（107）。通過進一步地採用光譜學、結構學手段，發現Zn2+的摻入不僅能夠改善薄膜形貌、結晶，同時削弱了晶胞的陷阱生成。該工作也是首次實現了高性能、透明無機p型半導體電晶體，同時可兼容綠色、低廉溶液加工工藝。

圖1：理論計算Zn2+摻入對於CuI能帶結構的影響。結果表明Zn2+的摻入不會對CuI主體能帶結構造成明顯的影響。同時，Zn2+的引入可以有效抬升費米能級遠離價帶頂，這表明CuI的高導電性得到了有效地抑制，成為可用於電晶體製備的p型半導體材料。


圖2：（a）不同陽離子摻雜的CuI薄膜電晶體轉移特性曲線；（b）CuZnI電晶體轉移特性曲線隨著Zn2+的摻入量的變化趨勢，（c）對應的閾值電壓變化。從薄膜電晶體的性能中可以明顯地發現Zn2+是最好的空穴抑制劑。通過控制Zn2+摻入量，電晶體的電學性能得到有效的調控和提升。



圖3：(a-c）大面積器件陣列均勻性結果，（d-f）CMOS反向器性能。在4英寸基底製備器件陣列，測試結果表明該材料具有良好的大面積均勻性。憑藉其較高的p型電學特性，與n型InGaZnO電晶體集成的CMOS反向器展現出極佳的電壓反轉特性和gain值。

該工作拓展了透明無機p型半導體的研究，通過實驗和理論結合，篩選出適用於CuI的有效空穴抑制劑。同時，該研究工作首次驗證了CuI基半導體材料可以替代傳統氧化物並用於高性能電晶體的集成。這對實現具備高穩定性的溶液法製備的半導體器件方面具有重要意義。期望作者今後可以進一步優化器件，提高其空氣穩定性，與n型無機氧化物半導體並駕齊驅。


【參考文獻】

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18006-6

【相關閱讀】

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