韩国研究人员最近成功研发出引领半导体行业创新的新型p型半导体材料和薄膜晶体管。这些新发现有望被广泛用于提高下一代显示器和超低功耗半导体器件的整体性能。
电子通信研究院（ETRI）成功开发出一种p型Se-Te（硒-碲）合金晶体管，该晶体管可利用硫族化物基p型半导体材料通过简单的工艺在室温下轻松沉积。此外，他们还开发出一种新技术，可通过在n型氧化物半导体和p型Te的异质结结构中对Te薄膜进行电荷注入控制，系统地调整和控制n型晶体管的阈值电压。
该项研究成果发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上。
半导体通常根据其“掺杂状态”分为本征半导体和非本征半导体。换句话说，本征半导体是没有添加杂质的“纯”半导体。以半导体行业常用的材料硅酮为例，纯硅酮中没有电子可以移动，这意味着即使施加电压也不会有电流流动。
因此，为了利用半导体的特性和材料的导电性，人们在本征半导体中添加特定的杂质。根据生产/制造过程中添加的杂质类型，非本征半导体分为n型半导体和p型半导体。
目前显示产业最广泛使用的材料之一，是以IGZO(铟镓锌氧化物)为基础的n型氧化物半导体。在p型半导体方面，由于与n型氧化物半导体相比，其加工性与电性较差，因此多采用p型LTPS(低温多晶硅)，但一直以来都存在着制造成本高出许多、基板尺寸受限等诸多限制。
然而，随着高分辨率显示器对更高刷新率（240Hz+）的需求增加，尤其是 SHV 级分辨率显示器（8K*4K），人们对 p 型半导体的开发兴趣近年来达到了顶峰。由于现有显示器中使用的基于 n 型半导体的晶体管在有效实现高刷新率显示器方面存在局限性，因此对 p 型半导体的需求正在快速增长。
为了满足这些需求，ETRI的研究人员通过在Se中添加Te、提高通道层的结晶温度、在室温下沉积非晶态薄膜并通过随后的热处理工艺使其结晶，成功开发出p型半导体。结果，与现有晶体管相比，他们成功实现了更高的迁移率和更高的开/关电流比特性。
研究人员还证实，当在 n 型氧化物半导体薄膜上引入基于 Te 的 p 型半导体作为异质结结构时，可以通过根据 Te 的厚度控制 n 型晶体管内的电子流动来调整 n 型晶体管的阈值电压。特别是，通过调整异质结结构中 Te 的厚度，他们提高了 n 型晶体管的稳定性，而无需使用钝化层。
通过利用这些成果，预计下一代显示器行业的增长将达到新的高度，从而能够同时开发出具有更好分辨率和更低功耗的新型显示器。
事实上，这一新发现不仅能在显示领域做出有意义的贡献，更可能改变半导体行业的格局。目前，全球多家领先的半导体厂商都在致力于开发新的微缩工艺，以提高其产品的集成度，但据多位业内人士分析，半导体的集成度已经到达了极限。
因此，近年来，引入了一种新的集成方法，可以一次堆叠多个半导体芯片。其中，TSV（硅通孔）是最著名的方法，其中堆叠多个晶圆并在晶圆上钻孔以确保电连接。这种 TSV 方法具有有效利用空间和降低功耗的优势。然而，仍有许多需要解决的限制，包括工艺成本高、产量低等。
事实上，为了克服 TSV 的这些局限性，业界提出了一种新方法，也称为单片三维 (M3D) 集成，其中材料堆叠在单个晶圆上，而不是一次堆叠多层。不幸的是，由于高温工艺的使用有限等各种问题，M3D 方法尚未达到商业化阶段。
不过，不少专家认为，ETRI研发的异质结薄膜晶体管和p型半导体器件即使在300℃以下的工艺下也能稳定运行，推动业界向M3D的成功商业化迈进了一步。
ETRI 柔性 电子研究部门首席研究员 Cho Sung-Haeng 表示：“这是一项巨大的成就，可广泛应用于 OLED 电视和 XR 设备等下一代显示器，以及 CMOS（互补金属氧化物半导体）电路和 DRAM 存储器等其他领域的未来研究人员。”
电子技术研究院的研究人员表示，他们计划将Te基p型半导体优化至6英寸或更大的大尺寸基板，并通过将其应用于各种电路来确保其商业化的潜力，最终找到将其应用到新领域的新方法。
发表于 2024-9-14 21:28:32