原子层沉积法制备原子有序InGaZnO晶体管实现超高迁移率及其量子限域效应研究

本文报道了通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）首次合成原子有序（AO）InGaZnO（IGZO）材料，并制备出场效应迁移率达245 cm2 V?1s?1的晶体管。该材料在250°C低温工艺下展现出卓越开关特性（阈值电压0.17 V，亚阈值摆幅<75 mV/dec），其超高迁移率源于AO-IGZO多量子阱结构诱导的载流子量子限域效应，为突破硅基技术限制提供了新一代沟道材料解决方案。

　　

原子有序IGZO的合成与结构表征

通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）技术，研究团队首次实现了原子有序（AO）InGaZnO（IGZO）的可控制备。这种材料具有独特的InO/GaZnO异质结构，其原子级有序排列通过扫描透射电子显微镜（STEM）得到证实。高角度环形暗场成像（HAADF）显示InO（亮层）与GaZnO（暗层）以1.13 nm间距周期性排列，快速傅里叶变换（FFT）图像中出现的明锐点阵图案进一步验证了其超晶格特性。同步辐射掠入射广角X射线散射（GIWAXS）分析显示，材料在250°C退火后达到最佳有序度，此时出现对应11.2 ?层间距的特征衍射峰。

突破性电学性能

基于AO-IGZO的顶栅晶体管展现出创纪录的电学性能：场效应迁移率高达245 cm² V^?1s^?1，远超单晶In₂O₃的160 cm² V^?1s^?1极限。器件同时具备0.17 V的近零阈值电压、74.05 mV/dec的亚阈值摆幅以及10⁹量级的开关比。温度依赖性测试揭示其独特行为：在83-298 K范围内，迁移率始终保持在200 cm² V^?1s^?1以上，这种无载流子"冻结"现象暗示存在类金属的二维电子气（2DEG）传输通道。

热稳定性与原子扩散机制

研究发现了AO-IGZO的三阶段热响应特性：250°C（Zone 1）时性能最优，300-350°C（Zone 2）迁移率降至150 cm² V^?1s^?1，400°C（Zone 3）则完全丧失开关特性。通过原位X射线光电子能谱（XPS）和热脱附谱（TDS）分析，发现250°C时氧的内扩散可修复缺陷，而高温导致Zn-O键（解离能250 kJ/mol）优先断裂。分子动力学模拟显示，Zn原子扩散是引发原子层无序化的关键因素，这种无序化会破坏量子阱结构的完整性。

量子限域效应起源

密度泛函理论（DFT）计算揭示了性能提升的物理机制：有序结构中GaZnO层形成高于InO层的静电势垒，产生量子阱限制效应。在导带最小值（CBM）处，电荷密度呈现明显的二维分布特征，而无序化会导致三维弥散。能带对齐实验证实，In₂O₃与GaZnO之间存在0.5 eV的导带偏移，这种能带弯曲促使电子在InO层中形成二维电子气。与常规氧化物超晶格（如MgZnO/ZnO）不同，AO-IGZO通过原子级精确的界面控制，在非晶基质中实现了媲美单晶的载流子输运性能。

技术应用前景与挑战

该研究为后端制程（BEOL）集成提供了理想候选材料，其低温工艺（<250°C）兼容三维堆叠技术。但400°C以上热稳定性不足的问题，可能限制其在需要高温处理的工艺环节中的应用。未来研究可通过优化GaZnO阻挡层厚度或探索新型稳定剂，进一步提升材料的工艺窗口。这项工作标志着氧化物半导体在突破"100 cm² V^?1s^?1迁移率天花板"方面取得重大进展，为后摩尔时代电子器件发展开辟了新路径。