南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组在高性能氧化物/硅纳米线异质互补逻辑集成方面取得新进展。相关成果以“High-Performance S/D-First IGZO TFTs Integrated With p-Type Si Nanowire FETs for Complementary Logic” 为题发表于IEEE Electron Device Letters. 该工作提出了一种源漏优先（S/D-first）IGZO TFT工艺，通过在IGZO沉积前预先形成源漏电极，有效避免后续光刻过程对IGZO有源沟道的直接损伤，实现了高性能n型IGZO TFT；进一步与低温IPSLS生长的p型硅纳米线（SiNW）FET集成，成功构建低功耗互补反相器以及NOR、NAND和AND逻辑门。
研究背景
IGZO具有高电子迁移率、低关态电流和低温工艺兼容性，是构建n型薄膜晶体管的重要材料，并有望与高性能p型器件结合实现低功耗互补逻辑。然而，在传统IGZO-first工艺中，IGZO有源层需要直接经历光刻胶涂覆、显影、剥离以及金属沉积等工艺，容易引入有机残留、表面无序和氧空位相关缺陷，导致迁移率降低、亚阈值摆幅增大以及器件稳定性下降。基于上述问题，本研究通过重新设计IGZO TFT的工艺顺序，在降低光刻损伤的同时实现与p型SiNW FET的性能匹配，并进一步构建异质互补逻辑电路。
核心创新一：S/D-first工艺有效抑制IGZO沟道光刻损伤
研究团队提出S/D-first IGZO TFT结构，在沉积IGZO有源层之前首先完成Ni源漏电极的光刻和图形化，从而使IGZO沟道避开后续源漏光刻过程。得益于沟道损伤的显著降低，优化后的S/D-first IGZO TFT场效应迁移率达到31.4 cm2 V-1 s-1，相比IGZO-first器件的7.79 cm2 V-1 s-1显著提升；亚阈值摆幅由605 mV/dec降低至166 mV/dec，开关比超过107，迟滞由52 mV降低至11 mV，展现出优异的载流子输运和栅极控制能力。
图1 IGZO-first与S/D-first TFT结构及电学性能对比
核心创新二：材料与电学表征揭示器件性能提升机制
XPS和AFM分析进一步揭示了S/D-first工艺改善器件性能的内在机制。相比IGZO-first样品，S/D-first样品中的M-O-M键比例由58.70%提升至76.19%，氧空位相关组分由35.17%降低至17.78%，同时获得更加平整的IGZO表面，表明其沟道具有更完整的金属-氧键合网络和更低的缺陷密度。在VGS = ±2 V、3600 s的正/负偏压应力下，S/D-first TFT的阈值电压漂移仅为+127 mV和-105 mV，明显低于IGZO-first器件的+766 mV和-756 mV，进一步验证了其优异的沟道/界面质量和电学稳定性。
图2. S/D-first IGZO的XPS、AFM及偏压稳定性表征
核心创新三：实现低功耗SiNW/IGZO异质互补逻辑
在高性能n型IGZO TFT基础上，研究团队进一步将其与300 ℃低温IPSLS生长的p型SiNW FET集成。p-SiNW FET开关比超过10⁷，最低亚阈值摆幅达到106 mV/dec，为构建性能匹配的异质互补器件提供了高性能p型晶体管。
图3. p-SiNW FETs器件的制备流程、结构示意图及电学性能
基于p-SiNW/n-IGZO异质器件，团队成功实现互补反相器。在VDD = 3 V时，反相器峰值增益达到15；在1 kHz动态输入下实现完整逻辑翻转，上升和下降时间分别为11 μs和13 μs，最低静态功耗达到pW量级。
图4. p-SiNW/n-IGZO异质集成的互补反相器性能及功耗
在此基础上，该异质互补平台进一步扩展至NOR、NAND和AND逻辑门。动态测试结果与预期逻辑真值完全对应，且各逻辑门在不同输入状态下的最大静态功耗均低于25 pW，验证了SiNW/IGZO异质体系从单晶体管向多晶体管互补逻辑扩展的可行性。
图5. 异质集成p-SiNW/n-IGZO的 NOR、NAND和AND逻辑电路
总结与展望
该工作通过简单而有效的S/D-first工艺设计解决了传统光刻过程导致的IGZO沟道性能退化问题，并进一步结合低温生长的p型SiNW FET，实现了从高性能p/n晶体管到低功耗反相器及多输入逻辑门的异质互补集成。光刻定义的SiNW生长引导结构、可扩展的IGZO溅射工艺以及ALD高k栅介质均具有良好的低温制造兼容性，为进一步发展高性能、低功耗、可扩展的硅/氧化物异质互补电子学提供了新的技术路径。
南京大学电子科学与工程学院博士研究生翁乐、钱文涛为共同第一作者，南京大学余林蔚教授、王军转教授和北京理工大学喻志农教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金杰出青年科学基金和国家重点基础研究计划等项目支持。
High-Performance S/D-First IGZO TFTs Integrated With p-Type Si Nanowire FETs for Complementary Logic
Le Weng, Wentao Qian, Shuo Zhang, Zhinong Yu*, Junzhuan Wang*, Linwei Yu*
DOI: 10.1109/LED.2026.3725781