电子科技大学刘奥团队Device：回顾氧化物TFT技术的发展历程
电子科技大学刘奥团队Device：回顾氧化物TFT技术的发展历程
薄膜晶体管（TFT）技术的革新持续引领着半导体器件和显示领域的突破性进展。其中，氧化物半导体凭借其高电子迁移率、优异的环境稳定性、出色的光学透明度以及大面积均匀性等独特优势，成为当前研究的热点领域。
在日新月异的技术革新浪潮中，薄膜晶体管（TFT）技术的持续突破不断拓展着半导体和显示行业的应用边界。其中，金属氧化物TFT凭借其卓越性能，已然成为现代显示技术的核心支柱。作为关键的开关和驱动单元，这些器件正在重塑人机交互方式，推动电子产品向更智能、更便捷的方向发展。以非晶态铟镓锌氧化物（a-IGZO）为代表的半导体材料，已在高分辨率平板显示器（FPD）等领域获得广泛应用。进入21世纪以来，氧化物TFT技术取得了突破性进展。相较于传统低温多晶硅（LTPS）技术，氧化物TFT展现出显著优势：其低温加工特性降低了生产成本，极低的关态电流则大幅提升了能效表现。这些技术突破直接推动了2010年代中期柔性透明显示器的商业化进程，为可折叠设备、可穿戴技术、智能汽车显示系统和先进传感器等创新应用开辟了新的发展空间。与此同时，氧化物TFT技术与印刷电子制造的深度融合，实现了器件的大规模生产和多样化集成，进一步拓展了其应用场景。展望未来，氧化物TFT凭借其优异的光学透明度和超低功耗特性，将在增强现实（AR）和虚拟现实（VR）领域大放异彩。更重要的是，这些器件将在下一代物联网设备中扮演核心角色，为人工智能（AI）计算和神经形态处理等尖端应用提供关键技术支持，推动信息技术向更高维度发展。
图1：薄膜晶体管（TFT）结构原理图和TFT技术在显示器中的发展和未来应用前景。
为充分释放氧化物TFT技术的应用潜力，亟需在迁移率提升、能效优化以及先进互补电路功能拓展等方面取得突破。当前，n型氧化物半导体凭借其优异的电子传输特性已取得显著进展，这主要得益于其本征能带结构的优势。然而，p型氧化物TFT的发展却面临严峻挑战：其空穴传输路径受限于强各向性的氧2p轨道，导致空穴有效质量较大、迁移率偏低，这一瓶颈严重制约了p型氧化物TFT的性能提升。
自氧化亚铜（Cu2O）和一氧化锡（SnO）作为p型氧化物TFT材料被首次报道以来，尽管研究不断深入，但高关断电流等问题仍未得到根本解决。为应对这一挑战，业界开发了低温多晶氧化物（LTPO）技术，然而该技术仍面临诸多限制：工艺均匀性难以保证、晶界效应导致的缩放能力不足、制造工艺复杂、衬底兼容性有限以及热预算约束等问题。在此背景下，基于碲（Te）的半导体材料因其潜在的高迁移率和稳定性，被视为实现高性能p型半导体的重要候选材料。
尽管氧化物TFT技术已取得丰硕成果，但其发展远未到达终点。随着材料科学和制造工艺的不断进步，这一技术有望在电子领域开启新的篇章，为下一代电子器件的发展提供关键支撑。
图2：高性能p型氧化物半导体实现全氧化物CMOS的技术革新。
本文原文来自Cell Press细胞出版社