高介电常数（high-k）栅介质材料在提升薄膜晶体管（TFT）及互补金属氧化物半导体（CMOS）反相器性能方面具有关键作用。然而，传统ZrO₂介电层存在多晶结构导致的晶界缺陷和漏电流问题，限制了器件稳定性与电路集成度的进一步提升。通过元素掺杂实现非晶化是改善介质层质量的有效策略。本研究基于自主研发的原子层沉积（ALD）系统，制备了ZrAlOₓ和ZrO₂两种高k栅介质，并在此基础上成功构建了锡锌氧化物（ZTO）n型TFT、碳纳米管（CNT）p型TFT以及由两者组成的CMOS反相器。

图1 (a) 基于ZrO₂ (b) ZrAlOₓ的CNT TFT转移特性曲线；(c)基于ZrO₂ (d) ZrAlOₓ的CNT TFT输出特性曲线

研究发现，Al掺杂使ZrO₂由多晶转变为非晶ZrAlOₓ，表面粗糙度从1.02 nm降至0.49 nm，漏电流显著降低，电容-频率稳定性增强。基于ZrAlOₓ的ZTO TFT在正偏压应力（PBS）和热应力（TS）下阈值电压漂移分别为2.5 V和3.1 V，远优于ZrO₂基器件（PBS下9.8 V，TS下9.8 V）。同时，ZrAlOₓ基CNT TFT的迟滞（0.32 V）小于ZrO₂基器件（0.56 V）。最终组装的CMOS反相器表现出优异的电压传输特性：迟滞仅0.21 V，静态功耗低至5.0×10⁻⁸ W，电压增益高达43.8，显著优于ZrO₂基反相器。性能提升归因于ZrAlOₓ介质更高的致密度、更低的缺陷态密度以及原子级平整的表面，有效抑制了载流子陷阱效应和偏压诱导的电荷俘获/释放行为。

图2 (a-b) CMOS反相器的电压传输曲线；(c) 电压增益随输入电压变化；(d) 功耗随输入电压变化