这是一篇类型a的学术研究报告。
中国南方科技大学、哈尔滨工业大学和上海交通大学的研究团队在JiQing Lu、Mei Shen、Yida Li等作者的带领下，于ACS Nano Letters期刊发表了一项关于p型氧化物薄膜晶体管（Thin-Film Transistor, TFT）的重要研究。该研究成功开发了一种具有创纪录空穴迁移率的SnOx TFT，并实现了基于全氧化物CMOS的逆变器设计。
这项研究的主要学术背景集中在半导体器件领域。随着集成电路技术的不断发展，后端制程（Back-End-Of-Line, BEOL）的单片三维（Monolithic 3D, M3D）集成技术成为突破摩尔定律限制的关键途径。然而，该技术面临的主要挑战在于缺乏可在低温（<450°C）条件下制备的高性能p型氧化物半导体材料。尽管n型氧化物TFT（如IGZO）已取得显著进展，但p型氧化物TFT的性能仍远远落后，这严重制约了全氧化物CMOS电路的发展。
研究团队重点关注锡氧化物（SnOx）这一最具潜力的p型氧化物半导体材料。理论上，SnO具有高达60 cm2/V·s的空穴迁移率可能，但实际报道的器件性能通常仅为个位数迁移率水平。本研究旨在通过精确控制沉积过程中的氧分压（O2 Partial Pressure, OPP）和后退火工艺（Post-Encapsulation Annealing, PEA），揭示SnOx薄膜结构与电学性能的关系，实现高性能p型SnOx TFT，并最终构建全氧化物CMOS逆变器。
研究的工作流程可分为四个主要环节：
第一，材料制备与表征环节。研究采用反应性磁控溅射法在HfO2介电层上沉积SnOx薄膜，系统性地改变了OPP参数（0%、3%、6%）。随后在175-225°C温度范围内进行PEA处理，并使用Al2O3作为封装层防止过度氧化。材料表征采用了掠入射X射线衍射（GIXRD）、X射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱等技术。
实验发现，3% OPP条件下沉积的SnOx薄膜经175°C/2h PEA处理后，形成了具有SnO相主导的纳米晶体结构，同时含有31.97%的Sn0相和22.79%的Sn4+相。薄膜均方根粗糙度（Rq）仅为1.16 nm，展现出色的平整性。拉曼光谱确认了SnO相的特征振动模式（113和211 cm-1），而XPS分析显示最优条件（3% OPP）下获得了45.24%的SnO相，这对空穴传输至关重要。
第二，器件制备与电学表征环节。研究采用底栅结构制备SnOx TFT，沟道宽/长为15/10 μm。电学测试发现，3% OPP/175°C PEA条件下制备的TFT展现出38.7 cm2/V·s的创纪录空穴迁移率（μfe-hole），开关电流比（Ion/off）达2.5×10^3，亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）低至240.9 mV/dec。这主要归因于Sn 5s轨道杂化引起的价带扩展效应，团队通过第一性原理计算验证了纯SnO相的理论迁移率可达43.17 cm2/V·s，与实验结果相当。
值得注意的是，器件表现出双极性传输特性，这源于薄膜中p型SnO和n型SnO2的共存。在负偏压应力（Negative Bias Stress, NBS）测试中，器件表现出优异稳定性（|ΔVth|<0.3V）。XPS和GIXRD分析证实，Al2O3封装层有效抑制了后退火过程中的过度氧化，维持了有利的Sn/SnO相比例。
第三，CMOS逆变器集成环节。研究将优化的SnOx p-TFT与n型IGZO TFT集成，实现了平面和堆叠Complementary FET（CFET）型全氧化物CMOS逆变器。电压传输特性（Voltage Transfer Curve, VTC）测试显示理想的轨到轨（Rail-to-Rail）特性。堆叠CFET型逆变器在0.5V工作电压下实现了57V/V的高电压增益，静态功耗低至34pW，创造了氧化物CMOS逆变器的新纪录。值得注意的是，这是首次实现的全氧化物CFET结构。
第四，机理揭示环节。通过系统的材料-器件关联分析，研究阐明了性能提升的物理机制：适量的初始氧掺入（3% OPP）促进了SnO相形成，而Al2O3封装和低温PEA则优化了Sn/SnO比例。残余Sn金属相通过Sn 5s轨道杂化增强了价带离域化，从而大幅提升了空穴迁移率。
研究的主要结论包括：1）确立了OPP和PEA对SnOx薄膜相组成的关键调控作用；2）实现了现有报道中最高的p型氧化物TFT空穴迁移率；3）首次展示了全氧化物CFET型CMOS逆变器；4）揭示了Sn金属相通过轨道杂化增强空穴传输的物理机制。
该研究的科学价值在于：为p型氧化物半导体提供了系统的材料工程策略；深化了对SnOx材料结构与电学性能关系的理解；提出的Sn 5s轨道杂化机制为设计高性能p型氧化物提供了新思路。应用价值体现在：实现了与BEOL工艺兼容的低温制程；展示的全氧化物CMOS技术为M3D集成提供了可行方案；创纪录的低功耗特性符合未来节能计算需求。
研究的亮点包括：1）38.7 cm2/V·s的空穴迁移率创造了p型氧化物TFT新纪录；2）创新的”Sn金属相辅助价带调控”策略；3）首次实现全氧化物CFET结构；4）超低静态功耗（34pW）特性；5）系统的材料-器件-电路协同优化方案。
此外，研究还对器件的稳定性进行了系统评估，发现通过优化封装工艺，器件在空气中保持40天后性能衰减可以忽略。这项工作为后续p型氧化物研究提供了重要参考，包括材料筛选标准、工艺优化方法和器件设计原则等。研究团队指出，进一步优化SnOx相的纯度和界面质量，可能实现更高性能的全氧化物CMOS电路。