XK星空 先进半导体材料开发范式转变，开发高迁移率、高可靠性氧化物薄膜晶体管
- 信息通信技术（ICT）与电网、交通网络一样，是我们生活和工业的核心基础设施，支撑着现代社会。特别是随着人工智能、物联网、大数据的快速发展，对ICT基础设施的性能和可靠性提出了前所未有的要求。
薄膜晶体管 (TFT) 是 ICT 物理支持的核心组件之一，它对于显示器、各种传感器和存储器至关重要。 TFT 通常制造在玻璃基板上，用作高速、高精度控制电信号的开关。在物联网社会中，大量设备不断运行，人工智能实时处理大数据，因此高速和低功耗的TFT至关重要。
用于显示器的 TFT 材料已从非晶硅发展到 IGZO，IGZO 是一种由铟 (In)、镓 (Ga)、锌 (Zn) 和氧 (O) 组成的非晶氧化物半导体。然而，面对人工智能和物联网社会对超高清、超高速的需求，以及巨大的功耗问题，传统材料的局限性开始显现。从根本上缺乏高性能运行所必需的大电流驱动能力。
为了解决这个问题，久裕作讲师基于“材料”、“工艺”和“器件结构”三位一体的方法进行了研究。通过全面了解从材料设计、结晶工艺到器件结构设计的各个方面，我们正在开辟一条实现高迁移率和高可靠性TFT的新途径。在这里，我们介绍其中一些创新举措。
材料潜力：氧化物半导体和“氢”时代
仓乐佑作讲师重点介绍了作为下一代半导体材料的氧化铟，它在金属和氧结合的金属氧化物半导体中表现出极高的电子迁移率。
随着基于硅的传统半导体技术达到成熟阶段，未来为了实现更高性能和更低功耗的电子设备，有必要从根本上重新考虑材料本身的概念。
“硅是常用的半导体材料，但我们采取了不同的方法。我们专注于具有大带隙且本身可以在低功耗下运行的金属氧化物半导体，其中，我们关注的是氧化铟，预计它具有特别高的电子迁移率。此外，这项研究的一个主要特点是有意引入氢。”
该研究的第一个挑战是如何克服非晶IGZO的性能限制，该材料已广泛用作显示器的TFT材料。非晶结构虽然适合大面积、低温工艺，但电子流动容易受到干扰，难以获得高电流驱动能力。
“IGZO没有足够的导电能力，驱动高清显示器和高帧率图像受到限制。因此，我们认为重要的是使其成为原子排列整齐的晶态，而不是金属原子和氧原子随机排列的非晶态结构。”换句话说，从非晶态到晶态，这种结构变化是下一代TFT的关键。
“意想不到的结果”带来突破
不言而喻，在追求高性能氧化物半导体的过程中，控制材料中的微量成分是影响TFT特性的重要问题。在进行控制晶体结构的研究时，歌曲导师发现控制某些元素可能会带来意想不到的突破。
歌曲导师回顾当时的情况如下。
“在氧化物半导体的制造过程中，氢经常被视为一种障碍或损害质量的因素。然而，由于氢是一种非常轻且普遍存在的元素，它不可避免地会混入氧化物半导体中。因此我们改变了想法，决定研究氢如何影响氧化物半导体的质量。为了澄清这一点，我们进行了彻底的实验，其中精确控制氢的量。我们发现，在氢达到某个最佳值的条件下热处理后的氧化物半导体薄膜中，浓度、异常晶粒生长和缺陷补偿同时发生，从而形成了导电性极高的晶体。这确实是我们研究的一个纪元。
这一发现直接导致了随后氢化多晶氧化铟TFT的实现。通过氢化精确控制电子密度和结晶度，可以将以前保持为具有金属导电性的微晶聚集体的氧化铟薄膜合成为可用作TFT有源层的高质量半导体薄膜。
利用低温固相生长工艺技术实现世界最高性能的氧化物TFT
对于下一代显示器、三维集成器件和半导体存储器的应用，必须在相对较低的温度（~400℃或更低）下实现TFT制造工艺。这是为了实现更高的集成度和更高的功能，同时抑制对基板材料和底层电路的热损坏。
导师们开发的加氢氧化铟薄膜低温固相结晶技术是一项革命性的工艺，可以在低至200℃的温度下结晶，满足这些要求。此外，由于可以通过溅射在大面积上且高均匀性地形成氢化氧化铟薄膜，因此可以构建具有优异的量产性的高效制造工艺。
采用这种低温固相结晶技术制造的TFT的场效应迁移率为1392 cm2V−1s−1，这是全球性能最高水平，是目前使用的非晶IGZO TFT的10倍以上，甚至超越多晶硅TFT。该成果2022年在学术期刊上发表时，在国内外引起很大反响，截至2025年，论文被引用超过200次，获得极高的学术评价。
迁移率的提高极大地提高了 TFT 的高速开关性能，这一成就直接导致下一代显示器和半导体存储器实现更高的性能和更低的功耗。此外，低温制造的能力为三维高度集成器件和低耐热塑料基板上的柔性电子器件的应用提供了巨大的潜力。
通过改进器件结构显着提高 TFT 可靠性
实现高迁移率的优异性能是TFT技术的一个重要里程碑，但这只是迈向实际应用的一个里程碑。实际设备应用中最重要的是保证长期稳定运行的“可靠性”。
高性能 TFT 仍然存在的基本问题之一是所谓的稳定性下降，即由于长期使用或施加电压，电气特性会随着时间的推移而发生变化。这被认为是由于空气中的水分和氧气等气体分子在作为TFT的有源层的氧化物半导体薄膜的表面上的吸附和解吸所致。
音乐导师们从优化设备结构本身的角度找到了解决这一可靠性问题的方法。那就是异质外延保护膜的引入。
该方法的核心是在氧化铟薄膜（TFT的有源层）表面涂覆并保护不同类型的氧化物材料，同时在原子水平上匹配晶体结构。保护膜采用氧化钇等稀土氧化物，其晶体结构与有源层的晶体结构非常相似。这种异质外延保护膜最大限度地抑制了与有源层界面的晶体缺陷，有效阻断了气体分子从外部到薄膜表面吸附和解吸的路径。
结果，采用异质外延保护膜的TFT表现出极高的操作稳定性，并且实现了实际使用所需的高可靠性，即使长时间连续施加±20V的电压，电特性也几乎没有变化。
音乐导师讲述他的研究进展如下。
发布日期：2026 年 5 月/报道日期：2025 年 10 月
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