【国内论文】集美大学许望颖教授团队MATER TODAY PHYS：原位超薄Ga₂O₃钝化突破二维In₂O₃晶体管性能瓶颈

        集美大学许望颖教授团队近日在 Materials Today Physics 发表题为 Overcoming mobility-off current and mobility-stability trade-offs in solution-processed two-dimensional In₂O₃ transistors via in-situ ultrathin Ga₂O₃ passivation（通过原位超薄Ga₂O₃钝化克服溶液法制备二维In₂O₃晶体管中的迁移率-关断电流和迁移率-稳定性权衡）的文章。

        许望颖，男，博士，集美大学教授，国际先进材料协会会士（IAAM Fellow），国际科学组织 VEBLEO 协会会士（VEBLEO Fellow），长期从事宽禁带氧化物薄膜与器件研究。2009 年本科毕业于浙江大学，2012 年硕士毕业于中国科学院宁波材料所，2015 年博士毕业于香港中文大学。2015-2016 就职于香港纳米及先进材料研发院，2016-2022 年就职于深圳大学，2022 年调入集美大学。获国际先进材料协会会士（2025年），国际科学组织 VEBLEO 协会会士（2025年），广东省珠江人才计划青年拔尖人才（2018年），福建省高层次人才（2022年）等称号。发表学术论文100篇，发明专利20项，论文总引用 3200 次，H因子30，担任 Nat. Electron.、Nat Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等顶级期刊审稿人。

        二维超薄氧化铟（In₂O₃）晶体管是未来三维集成芯片技术的候选材料，但其发展长期受限于两个核心矛盾：

        •迁移率-关态电流权衡：降低沟道厚度可以改善关态电流，但会导致器件迁移率急剧下降。

        •迁移率-稳定性权衡：高迁移率的 In₂O₃ 的深 CBM 易受氧空位、H₂O 等外界干扰，bias-stress 漂移严重，电学性质不稳定。

        以往的研究往往“拆东墙补西墙”，无法同时解决以上矛盾。

        本研究创新性地提出了一种原位溶液生长超薄 Ga₂O₃ 钝化层的策略，成功攻克了上述难题。

        •性能飞跃：未钝化的 3 纳米厚 In₂O₃ 晶体管迁移率为 32.93 cm² V⁻¹ s⁻¹，但关态电流较高（~10⁻⁶ A），稳定性差。引入 3 纳米 Ga₂O₃ 钝化后，迁移率显著提升至 45.69 cm² V⁻¹ s⁻¹，关态电流大幅降低至~10⁻¹⁰ A，开关比超过 10⁸，各项参数同时得到优化。

        • 稳定性大幅增强：在高压偏置应力测试下，钝化后的器件阈值电压偏移量从未钝化器件的超过 9 V 降至约 1.8 V，稳定性提升了一个数量级。

        • 实现全溶液化低功耗器件：团队进一步将钝化后的 In₂O₃ 与溶液法制备的 6 纳米厚高 k 介质 ZrO₂ 结合，成功构建出全溶液化二维氧化物晶体管，该器件可在 1 V 超低电压下工作，性能优异。

        • 机理深入阐释：通过能带分析表明，Ga₂O₃ 的高 CBM（导带偏移 ΔEC=0.37 eV）有效阻挡环境电荷转移，强 Ga-O 键抑制氧空位缺陷，非晶结构降低表面散射。

        • 首次通过原位 Ga₂O₃ 钝化同时解决迁移率-关断电流和迁移率-稳定性权衡：与传统掺杂或 ex-situ 钝化不同，该方法在溶液法制备过程中直接引入钝化层，避免了后处理污染，且不牺牲迁移率。

        • 全溶液基二维氧化物晶体管集成：结合溶液法制备的 ZrO₂ 高 k 介电层，实现了低功耗、高性能的全溶液基二维器件，为大规模制造提供低成本路径。

        • 环保友好：全程使用水溶液前驱体，避免有机溶剂，符合绿色制造趋势。

        本研究成功开发了一种高效的原位超薄 Ga₂O₃ 钝化策略，一举突破了二维 In₂O₃ 晶体管在迁移率、关态电流和稳定性之间的传统权衡关系。采用水溶液原位 3 纳米非晶 Ga₂O₃ 钝化，将 3 纳米 In₂O₃ 晶体管的 μ_FE 从 32.9 提至 45.7 cm² V⁻¹ s⁻¹，I_off 从 10⁻⁶ 压到 10⁻¹⁰ A，on/off >10⁸，PBS/NBS ΔV_th 由 ±9 V 降至 ±1.9 V。叠加溶液 6 nm ZrO₂ 高k介电，实现全溶液 1 V 超低功耗 2D 氧化物晶体管。该方案工艺简单、绿色经济，为开发高性能、高可靠性的后段三维集成电子器件提供了全新的技术路径，具有重要的科学意义和应用前景。