Performance Enhancement of p-type Tellurium Thin-Film Transistors via Al₂O₃ Protective Layer and Laser Treatment

Abstract

Two-dimensional (2D) semiconductors have emerged as promising candidates for next-generation channel materials owing to their atomic-scale thickness, which enables superior electrostatic gate control and effective suppression of short-channel effects (SCE). However, research has been predominantly focused on n-type materials, while stable and high-performance p-type counterparts remain limited.

Among various p-type 2D semiconductors, tellurium (Te) has attracted significant attention due to its intrinsic p-type behavior, high hole mobility, excellent ambient stability, and thickness-dependent tunable bandgap. Furthermore, as a single-element material, Te can be deposited over large areas using scalable, low-temperature fabrication techniques such as thermal evaporation, atomic layer deposition (ALD), and sputtering, making it attractive for practical device fabrication and BEOL integration. However, Te TFTs typically suffer from a relatively low Ion/Ioff ratio, mainly due to the high off-current (Ioff) originating from the narrow bandgap of the Te channel.

In this study, we propose a combined approach employing an Al₂O₃ protective layer and subsequent laser treatment to improve the electrical performance of Te TFTs. The Al₂O₃ layer, widely used as a passivation layer, suppresses excessive p-type doping by reducing oxygen-related defects, resulting in a reduction of both Ion and Ioff compared to the pristine device. In addition, the Al₂O₃ layer serves as a protective layer during laser treatment, preventing severe damage to the Te channel.

Subsequent optimized laser treatment at 60 mW effectively recovers the on-current (Ion) to a level comparable to that of the pristine device while maintaining a reduced off-current (Ioff). As a result, the Ion/Ioff ratio is significantly improved. In particular, the laser-treated device exhibits an Ion/Ioff ratio of 3.02 × 10³, which is nearly one order of magnitude higher than that of the pristine device (3.83 × 10²).

These results demonstrate that the combination of an Al₂O₃ protective layer and optimized laser treatment provides an effective strategy to overcome the intrinsically low Ion/Ioff ratio of Te TFTs, offering a promising pathway toward high-performance p-type Te-based transistors.

Keywords: Tellurium, p-type semiconductor, Thin-film transistors, Al₂O₃ protective layer, Laser treatment|최근 2차원(2D) 반도체는 원자 수준의 얇은 두께를 바탕으로 우수한 정전기적 게이트 제어 능력과 단채널 효과(short-channel effect, SCE) 억제 특성을 제공할 수 있어 차세대 채널 재료로 주목받고 있다. 그러나 현재까지의 연구는 주로 n형 반도체에 집중되어 있으며, 안정적이고 고성능의 p형 2차원 반도체는 여전히 제한적인 수준에 머물러 있다.

다양한 p형 2차원 반도체 중 텔루륨(Tellurium, Te)은 본질적인 p형 전도 특성, 높은 정공 이동도, 우수한 대기 안정성 및 두께에 따른 밴드갭 조절 특성으로 인해 유망한 채널 재료로 주목받고 있다. 또한 Te는 단원소 재료로서 열증착(thermal evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD), 스퍼터링(sputtering)과 같은 대면적 저온 공정을 통해 제조할 수 있어 실제 소자 제작 및 후공정(BEOL) 집적에 유리한 장점을 가진다. 그러나 Te 박막 트랜지스터(thin-film transistor, TFT)는 채널의 좁은 밴드갭으로 인해 높은 오프 전류(Ioff)가 발생하며, 이로 인해 낮은 Ion/Ioff 비를 나타내는 한계를 가진다.

본 연구에서는 Te TFT의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 Al₂O₃ 보호층과 후속 레이저 처리 공정을 결합한 접근법을 제안하였다. Al₂O₃ 층은 널리 사용되는 패시베이션 층으로서 산소 관련 결함을 감소시켜 과도한 p형 도핑을 억제하였으며, 그 결과 pristine 소자 대비 Ion과 Ioff가 동시에 감소하였다. 또한 Al₂O₃ 층은 레이저 처리 과정에서 보호층 역할을 수행하여 Te 채널의 열적 손상 및 산화를 억제하였다.

이후 60 mW의 최적화된 레이저 처리를 적용한 결과, 감소된 Ioff를 유지하면서도 Ion이 pristine 소자 수준으로 회복되었다. 그 결과 Ion/Ioff 비가 크게 향상되었으며, 레이저 처리된 소자의 Ion/Ioff 비는 3.02 × 10³으로 pristine 소자(3.83 × 10²) 대비 약 10배 향상되었다.

본 연구 결과는 Al₂O₃ 보호층과 최적화된 레이저 처리의 결합이 Te TFT의 낮은 Ion/Ioff 비 문제를 효과적으로 개선할 수 있음을 보여준다. 따라서 본 연구에서 제안한 방법은 고성능 p형 Te 기반 트랜지스터 구현을 위한 효과적인 전략을 제시하며, 향후 Te 기반 전자소자의 성능 향상 및 실용화를 위한 유망한 접근법이 될 것으로 기대된다.

핵심어: 텔루륨(Tellurium), p형 반도체, 박막 트랜지스터, Al₂O₃ 보호층, 레이저 처리