科学家制备氧化锌薄膜晶体管环形振荡器，有望被引入先进芯片制造
在南方科技大学，有这样一位外籍老师——李毅达。他出生和成长于新加坡，甚至本科和博士也在那里完成，但他说得一口流利的中文。而且作为一名半导体领域的专家，他还拥有在台积电工作过的经历。
图 | 李毅达（来源：李毅达）
在南方科技大学，李毅达的主要研究方向是新型半导体材料器件。前不久，李毅达课题组和合作者通过优化原子层沉积（ALD，Atomic layer deposition）工艺参数、优化器件结构等，制备出一款氧化锌薄膜晶体管。
在目前的原子层沉积工艺上，该晶体管实现了最稳定、最可靠、以及最高的电子迁移率性能。在应用上：
这款晶体管在忆阻器存储阵列中可被作为驱动晶体管。研究中，该团队已经成功实现一个 32×32（1 kBit）的忆阻器存储阵列，其中氧化锌薄膜晶体管充当存储阵列的驱动晶体管。 基于低温可制备的工艺，能够以三维堆叠的方式形成超高密度存储阵列。
同时，这款晶体管在互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）后端集成领域具有潜在的应用价值。由于这款晶体管不但性能稳定、可靠，而且能兼容 CMOS 后端工艺，故能为实现 CMOS 后端的集成电路提供参考。
研究中，他们先是研究了基于氧化锌半导体的薄膜晶体管，通过大量的实验，开发了单个器件的制备工艺，做了大量的材料表征（例如 X 射线衍射、X 射线光电子能谱等）和电学表征工作，借此得到了稳定、可靠的高性能薄膜晶体管。
李毅达展望称：“我们相信再通过适当的工艺优化和验证，有望继续突破现有的性能，最终引入先进芯片工艺里。”
（来源：Nature Communications）
为何需要更好的氧化物薄膜晶体管？
在传统的冯诺依曼计算架构中，存储单元和计算单元是分开独立的。在数据处理和数据计算时，数据在存储单元和计算单元之间的交换过程，占据着绝大部分的时间和功耗。
随着数据驱动型应用例如大数据、物联网等需求的持续增长，传统的冯诺依曼架构面临着严重的挑战，这就是人们熟知的“冯诺依曼瓶颈”。
当使用传统方法提升芯片计算的性能时，无法避免器件的微缩和密度的增加。但是随着在摩尔定律下二维（2D）平面电路器件不断微缩并趋于极限，先进芯片的制造工艺面临着巨大的挑战。
通过进一步微缩器件来在 2D 平面上提高集成密度的方法遇到了难以逾越的技术瓶颈，限制了芯片计算性能提升的速度。
为了突破“冯诺依曼瓶颈”，学界在各种可能的方向进行了探索，其中在微电子产业一个主流的方向便是三维（3D）单片集成，即把逐层的逻辑电路、存储器件、传感器件堆叠在硅芯片之上，以构建出一个以存储为中心的计算系统，以此大幅节省芯片面积、提高集成密度。
在 3D 单片集成的主流研究之中，不可避免地要研发下一代可被低温制备的高性能半导体。同时，一些突破性进展也将对微电子产业带来颠覆性的改变，成为实现下一代计算芯片的关键。
与硅基晶体管相比，氧化物半导体具有诸多优势例如宽禁带、可以低温大面积生长、透明度好等，因此氧化物半导体在这些新型计算架构中具备潜在的应用价值。
近几年，新型氧化物半导体的研究取得了重大进步，以铟镓锌氧化物为代表的氧化物半导体已经广泛应用于有机发光二极管（OLED，organic light-emitting diode）和有源矩阵有机发光二极体（AMOLED，Active-matrix organic light-emitting diode）显示屏。
然而，氧化物半导体在其他领域比如边缘计算、存内计算、三维集成等领域的应用并未成熟，目前仍然面临一些挑战。
因此，实现性能良好、稳定、可靠的氧化物薄膜晶体管，对于拓宽其应用领域至关重要。以上便是李毅达开展本次课题的出发点所在。
（来源：Nature Communications）
“起早贪黑半个月做的样品，测不出任何数据”
据介绍，一开始课题组只打算利用新型的原子层沉积技术开发基于氧化锌半导体的薄膜晶体管。
历时半年左右，他们完成了各种半导体工艺的开发工作，比如光刻工艺、刻蚀工艺、镀膜工艺等等。通过优化各种工艺参数，确定可以满足相关工艺步骤和参数。
随后，他们对单个薄膜晶体管器件的进行大量表征，比如材料表征、电学表征等。
在完成单个薄膜晶体管的开发工作后，他们发现这种氧化锌薄膜晶体管有着很高的载流子迁移率、以及极大的工作电流（电流达到毫安级）。
于是，他们打算将这款薄膜晶体管集成到忆阻器的存储阵列中，在忆阻器 1T1R（One Transistor One Resistor）存储阵列中充当驱动晶体管，借此验证它的驱动能力。
然后，他们开始进行存储阵列的版图设计、工艺开发、加工制造，并进行了大量测试。实验结果证明，该薄膜晶体管能够轻松驱动忆阻器存储阵列的工作。
随后，为了进一步推动该薄膜晶体管在系统级别的应用，他们启动了单器件的建模和基本电路的验证工作。
基于大量的测试数据和物理分析，其又建立了氧化锌薄膜晶体管的 TCAD 紧凑模型（注：TCAD 的全称是 Technology Computer Aided Design，指半导体工艺模拟以及器件模拟工具）。
然后，在建立的紧凑模型的基础上，他们设计出不同种类的反相器和环形振荡器，以验证氧化锌薄膜晶体管在电路应用中的价值。
然后，基于该模型他们又设计了存储阵列、反相器和环形振荡器电路，实现了系统级的验证。
同时，该团队还全面分析和评估了单个器件，并拓展到电路应用层面例如环形振荡器电路。所有实验结果都充分证明了氧化锌薄膜晶体管在电路中的应用能力。
（来源：Nature Communications）
事实上在课题启动的最初三个月里，他们连续做了 4 批实验，结果统统失败了。每做一批实验样品需要 2 周时间，起早贪黑半个月做出来的样品，测不出任何数据，这让他们充满煎熬和挫败感。
李毅达说：“但是，科研工作还得继续。每一次实验失败后，我们都认真分析原因，仔细复盘每一步工艺步骤，回忆每一处细节，查缺补漏。直到三个月后，我们终于做出了可以工作的器件。”
虽然刚开始制备的器件性能比较差，但却实现了从 0 到 1 的突破，这让他们备受鼓舞。更加重要的是在这个屡战屡败、屡败屡战的过程中，他们积累了大量实验经验，这为后续工作奠定了坚实基础。
最终，相关论文以《基于高性能原子层沉积 ZnO 薄膜晶体管的 CMOS 后端兼容存储器阵列和逻辑电路》（CMOS Backend-of-Line Compatible Memory Array and Logic Circuitries Enabled by High Performance Atomic Layer Deposited ZnO Thin-film Transistor）为题发在 Nature Communications[1]。
南方科技大学博士生王文辉是第一作者，李毅达、北京邮电大学特聘研究员张盼盼、南方科技大学助理教授林龙扬担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
“此外，这篇论文也得到了期刊编辑的赞赏，被 feature 在期刊的 device（器件）页面上 [2]。”李毅达说。
曾在台积电工作，深谙科研和产业的转移和贯通
下一步，他们将研究更加复杂的氧化物半导体集成电路设计，例如加法器、乘法器、微型处理器等。同时，计划将氧化物晶体管的特征尺寸推进至纳米级别，为氧化物半导体在产业界的应用开辟道路。
如前所述，李毅达是在新加坡出生的新加坡公民。此前，他在新加坡国立大学完成了学士学位和博士学位。
加入南方科技大学之前，他在业界和学界都有一定的工作经验。加入南方科技大学之前，他曾在台积电工作。
对此他表示：“这段经历让我理解了微电子科研和微电子产业的不同，也让我理解了科研和产业的转移和贯通。”
另外，业界、学界的研究方法和工作方式可谓非常不同：业界侧重于通过不懈努力促进研发效率；而学界侧重于通过偶然发现来促进更多创新和创造。
“将这两种不同的研究方法和工作方式融会贯通到我们课题组，就可以持续产出好的成果。我认为这两个方面也能构成科研的支柱，我相信同行也都认同这一点。”他说。
而之所以选择来到中国发展，是因为这里能提供合适的机会和条件。同时，李毅达的专业知识和技能也符合中国目前发展微电子产业的需要，同时中国也能提供给他施展拳脚的平台和资源。
“所以，无论是从事尖端微电子研究的愿景，还是可以为我科研工作提供的支持和平台，南方科技大学都都能提供相对应的支持，我相信在这里可以进一步发展我的研究生涯，实现双赢。”他说。
参考资料：
1.Wang, W., Li, K., Lan, J.et al. CMOS backend-of-line compatible memory array and logic circuitries enabled by high performance atomic layer deposited ZnO thin-film transistor. Nat Commun 14, 6079 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41868-5
2.https://www.nature.com/collections/bjiiabbacg
氧化锌（Zinc oxide）简介
氧化锌(ZnO)是锌的一种氧化物，俗称锌白，英文名称是Zinc oxide。中文别名有锌氧粉、锌白、锌白粉、锌华、亚铅华、锌白银、一氧化锌、水锌矿等等。难溶于水，可溶于酸和强碱。氧化锌是一种常用的化学添加剂，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、合成橡胶、润滑油、油漆涂料、药膏、粘合剂、食品、电池、阻燃剂等产品的制作中，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。此外，微颗粒的氧化锌作为一种纳米材料也开始在相关领域发挥作用。
氧化锌
氧化锌生产厂家主要集中在辽宁(大连)、山东(潍坊)、河北(高邑、邢台)、江苏、浙江等地，生产的氧化锌以99.7%含量的为主，俗称997(99.7)氧化锌。
一、氧化锌物理化学性质
1.1.基本信息
密度：5.6
沸点：2360ºC
熔点：1975 °C
分子式：OZn
分子量：81.408
精确质量：79.924065
PSA：17.07000
外观性状：白色粉末
折射率：2.008~2.029
1.2.分子结构
摩尔折射率：无可用的
摩尔体积(cm3/mol)：无可用的
等张比容(90.2K)：无可用的
表面张力(dyne/cm)：无可用的
介电常数：无可用的
极化率(10-24cm3)：无可用的
单一同位素质量：79.924061 Da
标称质量：80 Da
平均质量：81.4084 Da
1.3.编号系统
CAS号：1314-13-2
MDL号：MFCD00011300
EINECS号：215-222-5
RTECS号：ZH4810000
二、性质与稳定性
2.1.如果遵照规格使用和储存则不会分解，未有已知危险反应，避免碱、碱金属
2.2.受阳光照射发磷光，在阴极线和阳极线上，能发出绿色和紫色等光。为两性氧化物，溶于稀酸、浓氢氧化碱溶液、氨水和铵盐溶液，不溶于水和醇。
2.3.工作人员应做好防护，应注意防尘通风。空气中最高允许浓度0.5mg/m3。溶于酸、氢氧化钠、氯化铵，不溶于水、乙醇和氨水。属两性氧化物。在空气中吸收二氧化碳和水生成碳酸锌呈黄色。加热时变黄，冷却后恢复白色。不透过紫外线，遇硫化氢不变黑。工作人员应作好防护，若不慎触及皮肤和眼睛，应立即用大量水冲洗干净。
2.4.操作中应戴防毒口罩，防护眼镜，穿工作服。工作后热水沐浴。要注意防止蒸气及气溶胶形成及排放到工作地点空气中。应注意防尘通风。
2.5.由于氧化锌晶须独特的空间三维立体构型和良好的单晶性，它组成的复合材料呈各向同性，性能远优于由单一纤维状晶须组成的复合材料，他除具有普通氧化锌的性质外，如耐磨、增强、减振、防滑、降噪、吸波、抗老化、抗静电、抗菌等性能。
2.6.不溶于水和乙醇，溶于酸、碱和氯化铵溶液，是一种两性氧化物。在空气中具有吸收湿气和二氧化碳的性质;在500℃时变为黄色，冷却又恢复白色。在空气中吸收二氧化碳和水生成碳酸锌呈黄色。加热时变黄， 冷却后恢复白色。不透过紫外线， 遇硫化氢不变黑
三、氧化锌的用途与作用
3.1. 用于橡胶或电缆工业作补强剂和活性剂，也作白色胶的着色剂和填充剂，在氯丁橡胶中用作硫化剂等
3.2. 橡胶专用氧化锌用于制造高速耐磨的橡胶制品，如飞机轮胎、高级轿车用的子午线轮胎等。
3.3. 氧化锌具有良好的颜料性能，因而被广泛用于涂料行业，特别是防锈漆和底漆，用量有时能达到30%，无机涂料和乳胶漆对氧化锌的需求也日益增加。
3.4. 氧化锌作为石油产品添加剂，是润滑油中必不可少的抗氧、抗腐、抗磨多效复合添加剂，约占各类添加剂消耗量的10-15%。
3.5. 广泛用于合成氨、甲醇和制氢等工业原料气、油的深度脱硫净化过程。
3.6. 玻璃中加入氧化锌，可增加透明度、光亮度和抗张力变形，可减少热膨胀系数，在光学玻璃、电气玻璃及低熔点玻璃中得到了新的作用。
3.7. 在电子工业中，氧化锌主要用来制造电子结构元件的磁性材料铁氧体，电视机、电气通讯装置、变阻器等均采用这种磁性材料。
3.8. 在陶瓷业中，氧化锌被广泛用于砖瓦釉及粗陶的半透明釉和工艺餐具的透明粗釉后熟釉。能用作熔剂、乳浊剂、结晶剂，用于制作钻天蓝釉也能用作陶瓷颜料。
3.9. 在塑料工业中，氧化锌用作紫外线稳定剂，能使聚乙烯的耐大气性得到改善，树脂酸与氧化锌反应制得的锌树脂可用来生产快干油量。许多锌的反应，如氯化锌、硫化锌、立德粉、醋酸锌、锌铬黄、硝酸锌、硼酸锌等，都是氧化锌作基础原料制得的。
3.10. 能用于压敏电阻行业、避雷器行业、磁性材料行业。
3.11. 可以代替一部份的钛白粉作白色颜料。同时具有一定的导电性，应用于需要抗静电或导电性的场合。还具有屏蔽紫外线、防霉、杀菌功效，改善含羧基团树脂的涂料性能。能用于集装箱用涂料。
3.12. 用作分析试剂、基准试剂、荧光剂和光敏材料的基质。
3.13. 复印行业中，能用作静电湿法复印、干法转印、激光传真通讯、电子计算机的静电记录及静电制版档
3.14. 医药行业中，用作收敛药，作制氧化锌软膏、锌糊、橡皮膏等
3.15. 此外，氧化锌还在火柴、焰火、烟幕弹、光学、照相、电池、宇航、硝铵，甚至香烟过滤嘴等方面都有用途
氧化锌应用领域
四、氧化锌制备（生产方法）
目前采用的方法有以锌锭为原料的间接法(也称法国法)，以锌矿石为原料的直接法(也称美国法)和湿法三种。
4.1. 间接法将锌锭加热至1000℃，熔融汽化，导入热空气进行氧化，生成的氧化锌经冷却、旋风分离，将细粒子用布袋捕集。即制得氧化锌成品。
反应方程式
4.2.直接法焙烧锌矿粉与无烟煤、石灰按比例配制成球。经还原冶炼，矿粉中氧化锌被还原成锌蒸气，再通入空气进行氧化，生成的氧化锌经捕集，制得氧化锌成品。
反应方程式
4.3.湿法用锌灰与硫酸反应生成硫酸锌，再将其分别与碳酸钠和氨水反应，以制得的碳酸锌和氢氧化锌为原料制氧化锌。
反应方程式
4.4.氧化锌晶须工业化生产工艺技术有许多专利。20世纪90年代日本工业化的生产工艺是将锌粉预处理使其表面形成致密的氧化膜，在氧化气氛中将锌粉置于锌的熔点以上，进行高温焙烧得到氧化锌晶须。
4.5.将纯锌用稀硝酸溶解，加入氨水和碳酸铵水溶液，使形成碳酸锌沉淀。将沉淀过滤、洗涤后，在105℃干燥。当彻底除去水分后，在600℃下进行热分解，得到高纯度氧化锌。
反应方程式
4.6.要制得微粒状催化性能好的ZnO，可将307g提纯硫酸锌结晶用270mL水溶解，加热到60℃。将此溶液在搅拌下徐徐加入到60℃含有130g碳酸纳的500mL水溶液里。保持pH值在8.5～9.0，使生成碳酸锌沉淀。将沉淀过滤，并洗涤至没有SO2-4为止，然后在110℃下干燥。当彻底去除水分后，将此沉淀在600℃条件下煅烧，可得到小颗粒的ZnO。
4.7.将23kg电解锌粒加到75kg蒸馏水中，然后慢慢加入相对密度为1.4的分析纯硝酸60kg ( 切忌过
快)进行反应：
反应方程式
保温4h，当不再有气泡发生时，取出清液，加热至沸，检查铁、重金属等杂质含量合格后，加水稀释到相对密度约为1.1，双层滤纸过滤后备用。用适量蒸馏水通蒸气溶解70kg化学纯无水碳酸钠后趁热过滤，稀释至相对密度为1.1。搅拌下将碳酸钠溶液快速加入上述硝酸锌溶液中，进行反应：
反应方程式
当pH值达到8时 ( 不允许超过9)停止加入碳酸钠溶液，继续搅拌15min，通蒸气煮沸20～30min，静置，析出碳酸锌沉淀。分出上层清液，在搅拌下加入与吸出清液量相等的蒸馏水，搅拌5min，静置沉淀，分出上层清液。如此反复洗涤15次后，在搅拌下再通蒸气煮沸20min。按上述操作继续洗涤至
硝酸盐、氯化物含量合格，再一次通蒸气洗涤3次，静置沉淀，吸去上层清液后过滤，离心甩干，平铺，于真空干燥器内于100℃烘4～5犺，取出捣碎，再烘8～10h，将烘干的碳酸锌于高温炉中450℃焙烧9h以上，取出，置于不锈钢桶或搪瓷桶内密封存放。
4.8.用50mL1:5的盐酸溶液浸泡30g高纯锌粒约10min后弃之，用水清洗数次，加入80mL盐酸，使洗净的锌粒完全溶解，滤去不溶物，用水稀释至400mL ，加热至70℃备用。
将5mL氢氧化铵 (2moL/L )加到400mL水中，搅拌均匀，再加入60g一水合草酸铵，加热溶解，趁热滤去不溶物后加热至70℃，在备用的氯化锌溶液加入氨水，使pH=2～4，在不断搅拌下将上述草酸铵溶液慢慢加到氯化锌
溶液中：
反应方程式
静置使沉淀完全，用水洗涤沉淀至溶液中犆 犾 -离子合格，过滤，用电导水洗5～ 6次，进行灼烧，先将温度徐徐升至240℃并保温8～12h以除去结晶水：
反应方程式
然后将温度升至800℃，灼烧2～3h：
反应方程式
若原料锌是分析纯品，则得到的氧化锌还需进一步提纯：用少量盐酸溶解，加浓氨水至沉淀刚好全部溶解，通入高纯CO2气体 ( 经两次水洗、一次浓硫酸洗和一次犈 犇 犜 犃氨液洗涤)至碳酸锌沉淀完全，过滤、水洗数次后于马弗炉灼烧2～3即可。
五、氧化锌安全信息
信号词：Warning
危害声明 ：H410
警示性声明：P273-P501
个人防护装备：Eyeshields;Gloves
危害码 (欧洲)： N:Dangerous for the environment
风险声明 (欧洲)：R50/53
安全声明 (欧洲)：S60-S61-S7/9
危险品运输编码：UN 3077 9/PG 3
WGK德国：2
RTECS号：ZH4810000
包装等级：III
海关编码：3824909990
六、氧化锌粉的注意事项
6.1.健康危害
侵入途径：吸入、食入。
健康危害：吸入氧化锌烟尘引起锌铸造热。其症状有口内金属味、口渴、咽干、食欲不振、胸部发紧、干咳、头痛、头晕、四肢酸痛、高热恶寒。大量氧化锌粉尘可阻塞皮脂腺管和引起皮肤丘疹、湿疹。
6.2.毒理学资料及环境行为
急性毒性：LD507950mg/kg(小鼠经口)
燃烧(分解)产物：自然分解产物未知。
七、贮存方法
1.贮存于通风、阴凉、干燥的库房中。包装要密封牢固，防止破损。
2.防热、防水、防潮。并注意与强酸及食用原料隔离存放。
八、氧化锌的发展简史
人类很早便学会了使用氧化锌作涂料或外用医药，但人类发现氧化锌的历史已经很难追溯。
罗马人早在公元前200年便学会用铜和含氧化锌的锌矿石反应制作黄铜。氧化锌在竖炉中化作锌蒸汽，滚进烟道发生反应。迪奥斯科里季斯同样对此有所介绍。
在古印度医学著作《查卡拉本集》中记载了一种后被认定是氧化锌的药物，用来治疗眼疾和外伤。公元1世纪，希腊医生迪奥斯科里季斯也曾提到用氧化锌做药膏。阿维森纳于1025年完成的《回回药方》中将氧化锌描述为治疗各种皮肤疾病，包括皮肤癌的首选药品。时下，人们已经不再用氧化锌治皮肤癌，但仍广泛用于治疗其它普通皮肤病症。
公元12世纪起，印度人认识了锌和锌矿，并开始用原始的方式冶锌。冶锌技术在17世纪传入中国。1743年，英国布里斯托尔建立了欧洲第一个锌冶炼工厂。
氧化锌的另一主要用途是用作涂料，1834年，首次成为水彩颜料，但其难溶于油。不过很快问题就由新的氧化锌生产工艺解决。1845年，勒克莱尔开始在巴黎大规模生产锌白油画颜料，到1850年，氧化锌在整个欧洲流行开来。氧化锌的纯净度很高，以至于在19世纪末， 一些艺术家在画上涂满锌白作为底色，然而这些画作经过百年后都出现了裂纹。
在20世纪后半期，氧化锌多用在橡胶工业。在20世纪70年代，氧化锌的第二大用途是复印纸添加剂，但在21世纪氧化锌作复印纸添加剂的做法已经被淘汰。
岛根大学中村守彦教授领导的研究小组合成了直径约10纳米的氧化锌微粒，并通过特殊处理使微粒具备荧光物质的特性。这种纳米粒子发光比较稳定，发光时间可持续24小时以上，但生产成本不到绿色荧光蛋白的百分之一。
2008年11月1日至15日，研究人员给实验鼠喂食结合了这种粒子的蛋白质，成功拍摄到粒子在实验鼠体内发光的影像。
日本岛根大学2008年11月18日宣布开发出一种在光线照射下能发出荧光的氧化锌纳米粒子，其发光稳定且安全，可应用于尖端医疗领域。
氧化锌的发展简史
九、氧化锌部分文献
Zinc absorption by young adults from supplemental zinc citrate is comparable with that from zinc gluconate and higher than from zinc oxide.
J. Nutr. 144(2) , 132-6, (2014)
Retentiveness of various luting agents used with implant-supported prosthesis: an in vitro study.
J. Oral Implantol. 40(6) , 649-54, (2014)
Pure and Mg-doped self-assembled ZnO nano-particles for the enhanced photocatalytic degradation of 4-chlorophenol.
J. Environ. Sci. (China) 25(10) , 2157-67, (2013)
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