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拓扑与电路
★ 5.0
采用背沟道SnO/a-GaOₓ p-n异质结结构的p型SnO薄膜晶体管氧化物PMOS反相器
Oxide-PMOS Inverter Using p-SnO Thin-Film Transistors With Back-Channel SnO/a-GaOₓ p-n Heterojunction Structure
| 作者 | Yong Zhang · Sashank Sriram · Kenji Nomura |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 增强型p沟道SnO-TFT 低温背沟道pn异质结 器件性能 PMOS反相器 p沟道氧化物TFT技术 |
语言:
中文摘要
增强型（E 型）p 沟道氧化物薄膜晶体管（TFT）的缺失限制了 p 沟道氧化物 TFT 的应用。为克服这一挑战，针对 E 型 p 沟道 SnO-TFT 开发了一种利用 n 型非晶 GaOx 的低温背沟道 pn 异质结结构。这种方法将工艺对 p 沟道 SnO 的损伤降至最低，在不影响器件性能的情况下实现了稳定的 E 型工作模式。E 型 SnO-TFT 的阈值电压为 -4.7 V，空穴场效应迁移率为 2.6 cm²/(V·s)，其器件性能与耗尽型（D 型）器件相当。对 pn 二极管进行的器件实验和仿真分析证实，当前的 SnO/a-GaOx pn 结在热平衡状态下形成的空穴载流子耗尽宽度约为 17 nm，大于 SnO 沟道的厚度（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${t}~\sim 10$ </tex-math></inline-formula> nm），这意味着 SnO 沟道中的多余空穴从背沟道完全耗尽。成功制备了由 D 型和 E 型 SnO TFT 组成的零<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${V}_{\text {GS}}$ </tex-math></inline-formula>负载 p 沟道金属氧化物半导体（PMOS）反相器。这些反相器呈现出全摆幅工作特性、约 200 的高增益和约 60%的抗噪声能力，为推进 p 沟道氧化物 TFT 技术提供了一种有前景的方法。
English Abstract
The absence of enhancement-mode (E-mode) p-channel oxide thin-film transistor (TFT) limited p-channel oxide-TFT applications. To overcome this challenge, a low-temperature back-channel pn-heterojunction structure utilizing n-type amorphous-GaOx was developed for the E-mode p-channel SnO-TFTs. This approach minimized process-induced damage to p-channel SnO, offering stable E-mode operation without compromising device performance. The E-mode SnO-TFT demonstrated a threshold voltage of –4.7 V, a hole field-effect mobility of 2.6 cm2/(Vs), demonstrating device performance compatible with the depletion mode (D-mode) device. The device experimental and simulation analysis for the pn-diode confirmed that the present SnO/a-GaOx pn-junction created a longer hole carrier depletion width of ~17 nm than the thickness of the SnO channel ( t~ 10 nm) at thermal equilibrium, implying that the excess hole in the SnO channel was fully depleted from the back-channel. The zero- V_ GS -load p-channel metal-oxide-semiconductor (PMOS) inverters composed of the D-mode and E-mode SnO TFTs were successfully fabricated. The inverters exhibited full-swing operation, high gain of ~200, and noise immunity of ~60%, demonstrating a promising approach for advancing p-channel oxide-TFT technology.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项氧化物p型薄膜晶体管（TFT）技术虽然目前聚焦于显示和集成电路领域，但其底层创新理念对我们的功率电子产品具有潜在的启发价值。
该研究通过背沟道p-n异质结构实现了增强型p沟道氧化物TFT，解决了长期困扰业界的p型氧化物半导体器件性能瓶颈。其核心价值在于：首先，低温工艺（<200°C）与我们追求的柔性电子、轻量化功率模块的工艺兼容性高；其次，全摆幅PMOS反相器展现的高增益（~200）和良好噪声抑制能力（~60%），体现了氧化物半导体在逻辑控制电路方面的应用潜力。
对于阳光电源的逆变器和储能系统而言，该技术的直接应用仍面临显著挑战。目前2.6 cm²/(Vs)的空穴迁移率和微安级电流密度远无法满足功率器件需求，更适合门极驱动、信号处理等辅助电路。然而，其展示的异质结能带工程思路值得关注——通过精确控制载流子耗尽层宽度实现阈值电压调控，这与我们在SiC/GaN功率器件中优化开关特性的理念相通。
技术成熟度方面，该研究仍处于实验室阶段，距离商业化应用尚需突破可靠性验证、大面积制造一致性等关键问题。但对阳光电源而言，跟踪此类新型半导体技术的发展具有战略意义：一方面可为未来智能化、集成化的功率模块提供轻量级控制芯片方案；另一方面，氧化物半导体的材料体系创新可能催生新一代宽禁带功率器件的研发思路，这与我们在新能源领域持续技术创新的战略高度契合。