通过表面钝化技术和高介电常数（高κ）介质集成实现的低电压增强型（Enhancement-Mode）p型氧化锡（SnO）场效应晶体管（TFTs）

《Journal of Alloys and Compounds》：Low-Voltage Enhancement-Mode p-Type SnO TFTs enabled by Surface Passivation and High-κ Dielectric Integration

本研究通过调控氧分压（5%）和退火温度（250℃），优化SnO薄膜的结晶性能，抑制SnO向SnO?转化，获得高饱和迁移率（3.06 cm2/Vs）、高开关比（7.15×102）的p型SnO薄膜场效应晶体管。引入SiO?钝化层将工作模式从耗尽型转为增强型，阈值电压降低至-0.17 V，静态功耗显著降低。采用30 nm高介电常数ZrO?替代传统SiO?绝缘层，将操作电压从-50 V降至-5 V，为低功耗CMOS集成提供新途径。

　　SnO作为一种具有高理论空穴迁移率的p型半导体材料，被广泛认为是互补金属氧化物半导体（CMOS）薄膜晶体管（TFT）的理想候选者。然而，其在实际应用中面临诸多挑战，如热稳定性差和在常温或高温环境下容易氧化为n型SnO?，这些特性限制了其在高性能、低功耗器件中的应用。此外，大多数SnO-TFTs在脱控模式（depletion mode）下运行，导致静态功耗较高，难以满足逻辑电路对低功耗和高密度集成的需求。与此同时，传统低介电常数（low-κ）SiO?作为栅介质，其低电容密度要求较高的栅极电压，这不仅降低了能效，也增加了与低电压电子系统集成的难度。

为了克服这些限制，研究团队通过系统调控氧气分压（Opp）和退火温度，对p型SnO薄膜及其对应的TFT进行了深入研究。研究发现，当Opp控制在5%并退火至250°C时，SnO能够有效抑制向SnO?的转变，同时实现优异的器件性能。具体而言，此时TFT的饱和迁移率（μsat）达到了3.06 cm2/Vs，开/关电流比（Ion/Ioff）为7.15×102，阈值电压（Vth）为18.41 V，亚阈值摆幅（SS）为19.72 V/dec。这些性能指标表明，SnO在优化条件下可以成为高性能、低功耗TFT的可行材料。

进一步的优化措施包括在SnO薄膜表面引入一层薄的SiO?钝化层。该钝化层不仅通过增加垂直电阻路径提高了通道电阻，还通过部分屏蔽栅极电场降低了载流子浓度。这种静电调制作用使得TFT的运行模式从脱控模式（normally-on）转变为增强模式（normally-off），从而显著降低静态功耗，并将阈值电压调整为-0.17 V。这种转变对于构建节能型电路具有重要意义，因为增强模式下的TFT在无信号输入时处于关闭状态，从而减少了不必要的能量消耗。

为了进一步降低工作电压，研究团队将传统的300 nm SiO?栅介质替换为一种溶液工艺制备的高介电常数（high-κ）ZrO?层，厚度仅为30 nm。由于ZrO?具有更高的介电常数，其提供的电容密度显著高于SiO?，从而增强了栅极与沟道之间的耦合效应。这一改进使得TFT的工作电压从原来的VGS=-50 V和VDS=-50 V降低至VGS=-5 V和VDS=-5 V。这种低电压操作不仅提高了器件的能效，还为在柔性、可穿戴和后端工艺（back-end-of-line）CMOS电子系统中的集成提供了新的可能性。

通过上述优化策略，研究团队不仅实现了SnO薄膜的稳定性和性能提升，还成功地解决了传统SnO-TFTs在工作电压和运行模式上的限制。这种多方面的协同优化方法为未来开发高性能、低功耗的p型SnO TFTs奠定了坚实基础，同时也为下一代柔性电子器件和低功耗集成电路的设计与制造提供了新的思路。

在实验过程中，研究团队采用了多种先进的材料处理和薄膜沉积技术。首先，所有衬底均经过超声波清洗，使用异丙醇、乙醇和去离子水各15分钟，以去除表面杂质。随后，通过氮气干燥，确保衬底的清洁度。接着，对衬底进行了10分钟的等离子体处理，以进一步清除残留的污染物。SnO薄膜则通过磁控溅射技术在SiO?/p?-Si衬底上沉积，使用高纯度（4N）的Sn靶材，由张洲和齐靶材技术有限公司提供。沉积过程中，控制了Ar/O?的气氛比例，功率为50 W，工作压力则根据具体实验条件进行调整。

通过调节氧气分压和退火温度，研究团队能够精确控制SnO薄膜的结晶度和结构。实验结果表明，在Opp为5%且退火温度为250°C时，SnO薄膜展现出最佳的性能。XRD分析显示，此时薄膜中出现了与四方SnO（PDF#06-0395）相对应的（101）、（110）、（200）和（112）晶面衍射峰，表明其具有多晶结构，并且（101）晶面呈现优先取向。此外，残留金属Sn的衍射峰（PDF#86-1165）在Opp增加时强度逐渐减弱，这说明氧气分压的调控有助于减少SnO薄膜中金属Sn的残留，从而提升其电学性能。

SnO薄膜的电学性能与其微观结构密切相关。在Opp较低的情况下，SnO容易发生氧化反应，导致其转变为SnO?，这不仅改变了其导电类型，还显著降低了迁移率和电流比。因此，通过精确控制氧气分压，可以有效防止SnO的氧化，从而维持其作为p型半导体的特性。退火温度的优化同样至关重要，过高的温度会导致SnO结构的破坏，而过低的温度则无法充分释放其潜在的电学性能。研究团队通过系统的实验探索，确定了250°C为最佳退火温度，这一温度能够有效稳定SnO薄膜，同时促进其结晶过程，从而提升器件的整体性能。

在TFT器件的制备过程中，研究团队还采用了多种表面钝化技术。引入SiO?钝化层不仅能够减少界面态密度，还能改善薄膜与栅介质之间的界面质量。这一层钝化膜通过增加垂直电阻路径，提高了通道电阻，同时部分屏蔽了栅极电场，从而降低了载流子浓度。这种静电调制作用使得TFT从脱控模式转变为增强模式，极大地提升了器件的能效和适用性。通过这种优化，TFT在无信号输入时能够保持关闭状态，从而避免了不必要的静态功耗，这对于构建低功耗的逻辑电路具有重要意义。

为了进一步提升TFT的性能，研究团队还探索了高介电常数（high-κ）材料的应用。传统的SiO?栅介质虽然具有良好的绝缘性能，但其低介电常数导致电容密度较低，从而需要较高的栅极电压才能实现有效的沟道调控。通过引入ZrO?作为高介电常数材料，研究团队成功实现了栅介质的升级。ZrO?不仅具有更高的介电常数，还能够通过溶液工艺实现低成本、高效率的薄膜制备。实验结果显示，使用ZrO?作为栅介质后，TFT的工作电压显著降低，这为实现低电压、高能效的电子系统提供了重要支持。

此外，研究团队还对SnO薄膜的微观结构和表面特性进行了详细分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术，他们能够观察到SnO薄膜的表面形貌和晶体结构。实验表明，优化后的SnO薄膜表面更加光滑，晶体质量更高，这有助于减少界面缺陷，提高载流子迁移率。同时，研究团队还对SnO薄膜的化学组成进行了分析，发现通过调控氧气分压和退火温度，可以有效控制SnO中Sn和O的比例，从而优化其电学性能。

在器件性能测试方面，研究团队采用了多种电学测量方法，包括电流-电压（I-V）特性分析、迁移率计算和亚阈值摆幅测量等。测试结果表明，优化后的SnO TFTs在各项性能指标上均表现出色，特别是在饱和迁移率、开/关电流比和阈值电压方面。这些性能的提升不仅证明了SnO在优化条件下的可行性，还为未来在柔性电子、可穿戴设备和低功耗集成电路中的应用提供了理论依据和技术支持。

研究团队还探讨了SnO TFTs在不同应用场景下的潜力。随着柔性电子技术的发展，对具有高机械柔性和低功耗特性的电子器件需求日益增长。SnO作为一种非晶态或微晶态的半导体材料，具有良好的机械适应性，能够适用于柔性基板。此外，其在低电压下的稳定运行特性，使其成为构建下一代低功耗电子系统的重要候选材料。通过优化工艺参数，SnO TFTs不仅能够实现高性能，还能在低电压条件下稳定工作，这为柔性电子、可穿戴设备和智能传感器等领域的应用提供了新的可能性。

综上所述，这项研究通过系统的工艺优化和材料设计，成功克服了SnO在热稳定性和氧化倾向方面的缺陷，实现了高性能、低功耗的p型SnO TFTs。研究团队的成果不仅为SnO在CMOS逻辑电路中的应用提供了新的思路，还为未来开发新型电子器件奠定了坚实基础。通过调控氧气分压和退火温度，以及引入高介电常数材料和表面钝化技术，他们展示了如何通过多方面的协同优化，提升SnO TFTs的性能和适用性。这些技术的突破有望推动柔性电子和低功耗集成电路的发展，为未来的电子应用带来新的机遇。