SiC共溅射与氧空位调控协同提升p型SnO薄膜晶体管性能研究

为解决p型氧化物半导体热力学不稳定性及氧空位缺陷问题，研究人员通过SiC共溅射结合高真空退火技术（HVPDA），成功制备出相纯SnO薄膜，实现空穴迁移率2.41 cm2/V·s和开关比3.7×104的TFT器件，为透明CMOS技术发展提供新策略。

　　

透明氧化物半导体（OS）正掀起一场电子材料革命，其高迁移率和透光性为柔性显示、智能传感等领域带来无限可能。然而，这场革命面临一个关键瓶颈——高性能p型氧化物半导体匮乏。以SnO为代表的p型材料虽潜力巨大，却因Sn²⁺氧化态的热力学不稳定性及氧空位缺陷，长期陷入相纯度低、性能波动大的困境。当SnO薄膜中混入SnO₂或金属Sn相时，器件性能会断崖式下跌。更棘手的是，传统退火工艺如同走钢丝，温度稍高就会引发Sn²⁺向Sn⁴⁺的不可逆转化。

针对这一挑战，研究人员创新性地引入航天材料硅碳（SiC）作为"氧空位锁"。通过共溅射技术将SiC与SnOx复合，利用Si-O（799 kJ/mol）和C-O（1076 kJ/mol）的超高键能牢牢锁住氧原子，再配合300°C高真空退火（HVPDA）精准调控结晶过程。X射线衍射（XRD）图谱显示，优化后的薄膜中SnO（002）晶面衍射峰清晰可见，而SnO₂和金属Sn的特征峰完全消失，如同在材料中构筑起Sn²⁺的"防氧化堡垒"。拉曼光谱进一步证实，材料中氧空位相关振动模式显著减弱。

霍尔效应测试揭示出令人振奋的载流子行为：随着SiC浓度提升至3.9%，空穴迁移率呈现阶梯式增长，最高达2.41 cm²/V·s，同时载流子浓度下降一个数量级，表明氧空位被有效抑制。制备的底栅TFT器件展现出典型的p型传导特性，场效应迁移率1.5 cm²/V·s，开关比突破3.7×10⁴，亚阈值摆幅优化至198 mV/dec。这些性能指标不仅超越同类SnO基器件，更接近实用化CMOS电路的要求。

该研究的关键技术路线包含：1）采用p型硅衬底上热生长250 nm SiO₂介质层构建底栅结构；2）通过DC溅射实现SiC（0-3.9%）与SnOx的室温共沉积；3）在10^-5 Torr真空度下进行250-400°C梯度退火；4）结合XRD、拉曼光谱和霍尔效应测试进行多维表征。

Thin film fabrication
在p型硅衬底上通过超声清洗和紫外等离子处理获得超净表面，采用精确控制的共溅射工艺实现SiC梯度掺杂，确保薄膜厚度均匀性控制在50 nm。

Comprehensive analysis of SnOx thin film
XRD分析显示2θ=28.9°处出现SnO（002）晶面特征峰，30.05°处的重叠峰经解卷积证实为纯SnO相。拉曼光谱在112 cm^-1和210 cm^-1处的振动模式进一步验证SnO相纯度。

Conclusion
这项研究开创性地证明SiC复合与HVPDA的协同效应：SiC如同"氧原子锚定剂"抑制缺陷形成，而精确控温退火则引导SnO择优生长。相比传统Y、Na等元素掺杂策略，该方法在提升迁移率的同时保持更高相纯度，为开发透明柔性CMOS电路奠定材料基础。

CRediT authorship contribution statement
Rauf Khan完成从概念设计到数据采集的全流程工作，Muhibul Haque Bhuyan和Kannadassan Dhanaraj共同指导研究方向。团队合作揭示SiC的氧稳定化机制，为氧化物半导体缺陷工程提供新范式。

这项发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》的研究，标志着p型氧化物半导体向实用化迈出关键一步。通过将航天材料SiC的强键合特性与半导体工艺结合，不仅解决SnO相纯度的世纪难题，更开辟了"键能工程"这一材料设计新思路。未来或可推广至其他不稳定氧化物体系，加速透明电子时代的到来。