В настоящее время конкуренция в глобальной полупроводниковой отрасли становится всё более жёсткой; в рамках 14‑го пятилетнего плана и перспективных целей на 2035 год Китай чётко обозначил необходимость укрепления научно‑технического потенциала в ключевых областях, преодоления технологических узких мест, сдерживающих развитие, а также ускоренного внедрения инновационных решений на основе новых материалов в сфере интегральных схем. Оксид кальция и титана Как перспективный бессвинцовый полупроводниковый материал, он обладает малой эффективной массой дырок, высокой эффективностью переноса заряда и растворимостью, что открывает новые пути для создания недорогих, масштабируемых электронных устройств с высокими эксплуатационными характеристиками.

Однако на практике это сталкивается с серьёзными вызовами: ионы Sn²⁺ легко окисляются до Sn⁴⁺, что приводит к образованию олово‑вакансий и, как следствие, к выраженному p‑типу легирования; быстрая кристаллизация трёхмерной структуры обусловливает низкое качество пленок и высокую плотность дефектов; а в случае квазидвумерных фаз неупорядоченность структуры и случайная ориентация, возникающие вследствие конкурентного роста компонентов во время кристаллизации, существенно ограничивают эффективность переноса заряда. Эти фундаментальные научные проблемы и технологические барьеры уже стали ключевыми препятствиями, сдерживающими возможности Китая по достижению опережающего развития в области новых полупроводниковых материалов.

В ответ на указанные выше проблемы команда, сформированная Фуданьским университетом, провела комплексное исследование с использованием ступенчатого измерителя серии JS компании «ZEPTOOLS»; команда посредством… Низкоразмерный шаблон Руководящая кристаллизация и Задержка кристаллизации С помощью стратегии кинетического управления удалось успешно получить оловянные перовскитовые транзисторы с высокой подвижностью носителей заряда (43 см²/В·с) и высоким коэффициентом переключения (>10⁸).

Заголовок: Низкоразмерные шаблоны и задержанная кристаллизация для получения высококачественных оловянно‑основных перовскитных пленок и высокоэффективных транзисторов
Журнал: Природа коммуникаций
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1038/s41467- 025-64560-2

Регулирование кристаллизационной кинетики с помощью низкоразмерных шаблонов

Исследовательская команда новаторски ввела Бензилэтиламмоний тиоцианат (PEASCN) и Метилформиат С помощью совместной стратегии, основанной на использовании йодида аммония (NH₄I) и FAHCOO, удалось добиться точного контроля процесса кристаллизации пленок перовскитов на основе олова. При комнатной температуре PEASCN преимущественно формирует двуслойную шаблонную структуру PEA₂FASn₂I₅SCN₂ (n=2), тогда как FAHCOO, образуя устойчивые комплексы с ионами Sn²⁺, эффективно подавляет неконтролируемый рост трёхмерной фазы FASnI₃. Эта стратегия за счёт замедления кинетики кристаллизации обеспечивает достаточное временное окно для самосборки низкоразмерных промежуточных фаз, что в конечном итоге при отжиге направляет упорядоченный эпитаксиальный рост высокоразмерной фазы в вертикальном направлении. Точное управление толщиной тонкой пленки имеет решающее значение для характеристик устройства; исследователи применили ступенчатые профилометры серии JS компании Zeyou Technology для точной оценки толщины перовскитной пленки, полученной методом центрифужного нанесения и последующего отжига, и подтвердили, что после оптимизации её толщина однородно составляет около 40 нм. Эти наноразмерные точные измерительные данные обеспечивают ключевую эмпирическую поддержку для понимания структурно‑функциональной взаимосвязи между морфологией тонких пленок и характеристиками устройств, что в конечном итоге позволяет данному устройству сохранять высокую электрическую стабильность даже после 30‑дневного хранения в азотной среде.

Рис. 1 | Кристаллизационная кинетика квазидвумерных пленок. (a) Рентгенограммы ПЭАСCN‑FAHCOO‑основанных пленок при различных временах отжига. Обозначение 2L соответствует двуслойной (n=2) фазе перовскита Раддлсдена‑Поппера, характерной для PEA2FASn2I5SCN2; обозначение 3D — трёхмерной фазе FASnI3. (b) Схематическое изображение структурной эволюции ПЭАСCN‑FAHCOO‑основанных пленок в процессе отжига. (c) GIWAXS‑диаграмма неотожжённой ПЭАСCN‑FAHCOO‑основанной пленки. (d) GIWAXS‑диаграмма ПЭАСCN‑FAHCOO‑основанной пленки после 1 минуты отжига. (e) PL‑спектры ПЭАСCN‑FAHCOO‑основанных пленок при различных временах отжига. (f) Рентгенограммы ПЭAI‑основанных пленок при разных временах отжига. (g) Рентгенограммы отожжённых перовскитовых пленок на основе ПЭАСCN‑FAHCOO и ПЭAI с локальными увеличенными видами дифракционного пика (100). (h) Азимутальная зависимость интегральной кольцевой структуры при qr = 1,0 Å−1.

Совместное улучшение ингибирования окисления и качества тонкой пленки

Ключевая проблема олово‑основных перовскитных материалов заключается в том, что ион Sn²⁺ легко окисляется до Sn⁴⁺, что приводит к выраженному p‑типичному легированию и росту плотности дефектов. В настоящей работе эта задача решена за счёт совместного действия нескольких механизмов: введение тиоцианат‑аниона (SCN⁻) в кристаллическую решётку, где неразделённая пара электронов атома азота координирует ион Sn²⁺, повышая плотность электронов вокруг олова; после отжига катион PEA⁺ концентрируется на поверхности тонкой пленки, формируя гидрофобный защитный слой; а слабокислая среда FAHCOO и сильное координационное взаимодействие карбоксильных групп с ионом Sn²⁺ дополнительно подавляют окисление. Эти синергетические эффекты существенно улучшают качество пленки: по данным XPS наблюдается снижение содержания Sn⁴⁺, увеличение угла контакта с водой (около 85°), усиление интенсивности фотолюминесценции и продление времени жизни носителей заряда (3,6 нс против 0,9 нс). SEM‑изображения чётко демонстрируют, что пленка на основе PEASCN‑FAHCOO обладает плотной и однородной морфологией; шероховатость поверхности снижена до 5,5 нм, что закладывает прочную материальную основу для высокопроизводительных транзисторов.

Рис. 2 | Характеризация перовскитных тонких пленок. (a) Типичные изображения, полученные методом СЭМ, для пленок на основе PEASCN‑FAHCOO и (b) на основе PEAI. Шкала — 200 нм. (c) Высокоэнергетические спектры XPS в области Sn 3d для пленок на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO. (d) Углы контакта для пленок на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO. (e) ПЛ‑спектры для пленок на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO.

Конструкция и принципы работы высокопроизводительных транзисторов

На основе оптимизированной оловянно‑основной перовскитной тонкой пленки исследовательская группа подготовила структуру с нижним затвором и верхним контактом. Полевой транзистор … демонстрирует выдающиеся электрические характеристики: подвижность при комнатной температуре достигает 43 см²·В⁻¹·с⁻¹, коэффициент переключения превышает 10⁸, а субпороговый наклон составляет 0,66 В/дек. Такое улучшение свойств обусловлено эффективной транспортировкой носителей заряда благодаря вертикально ориентированной кристаллической структуре, низкой плотностью границ раздела (1,57×10¹² см⁻²·эВ⁻¹) и улучшенным контактом металл–полупроводник (контактное сопротивление снижено до 76 Ом·см). Анализ зонной структуры показывает, что введение SCN⁻ смещает уровень Ферми вниз, усиливая p‑тип проводимости, одновременно повышая работу выхода до 4,49 эВ и уменьшая барьер для инъекции дырок до 0,61 эВ. Статистический анализ распределения характеристик по 200 устройствам подтверждает высокую повторяемость предлагаемого метода изготовления; средняя подвижность составляет 38 см²·В⁻¹·с⁻¹, что соответствует ведущим значениям среди уже опубликованных транзисторов на основе оловянных перовскитов.

Рис. 3 | Характеризация свойств устройств. (a) Основные пути переноса основных носителей в транзисторах с верхним контактом затвора на основе PEAI и (b) на основе PEASCN‑FAHCOO, включая инжекцию носителей, вертикальный перенос и межфазовый перенос. (c) Передаточные характеристики при VDS = −30 В. (d) Выходные характеристики транзисторов на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO. (e) Скорость насыщенного переноса при положительном сканировании для транзисторов на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO. (f) Сопротивление контактов, определённое методом TLM. (g) И (h) Плотности спектральной мощности шума тока стока транзисторов на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO при различных значениях VGS. (i) Статистика подвижности для 200 транзисторов на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO.

Проверка долгосрочной стабильности и надёжности

В ответ на существующую в отрасли проблему низкой стабильности оловянно‑кремниевых перовскитных устройств данное исследование провело систематическую оценку надёжности транзисторов на основе PEASCN‑FAHCOO при различных условиях механических и электрических нагрузок. Неупакованные устройства, хранившиеся в атмосфере азота в течение 30 дней, сохранили подвижность на уровне 82% от первоначального значения (34 против 42 см²/В·с), тогда как контрольные образцы полностью вышли из строя уже через 7 дней. В ходе 100 последовательных циклов смещения пороговое напряжение изменилось всего на 0,2 В, что значительно ниже 3,9 В у контрольных образцов. После 5000 циклов включения‑выключения коэффициент соотношения «включено/выключено» остался на уровне 98,3%, а стабильность тока при постоянном напряжении заметно возросла. Температурные испытания показали, что при низких температурах гистерезис практически отсутствует (ΔV < 0,5 В), что подтверждает эффективное подавление ионной миграции. Эти выдающиеся характеристики стабильности обусловлены совместным действием повышения качества кристаллизации, снижения плотности дефектов и применения гидрофобного защитного слоя, что открывает путь к практическому применению оловянно‑кремниевых перовскитов в реальных электронных устройствах.

Рис. 4 | Характеристика стабильности транзисторов на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO. (a) Стабильность хранения неупакованных транзисторов на основе PEASCN‑FAHCOO; (b) — на основе PEAI. (c) Зависимость тока проводимости и подвижности при насыщении от времени хранения для транзистора на основе PEASCN‑FAHCOO. (d) Измерение непрерывных кривых переноса транзистора на основе PEASCN‑FAHCOO в течение 100 циклов (VDS = −30 В). (e) Изменение порогового напряжения (Vth) у обоих типов транзисторов в ходе циклических измерений. (f) Кривые переноса, полученные при различных шагах сканирования. (g) Тестирование транзисторов на основе PEAI и PEASCN‑FAHCOO в режиме 5000 последовательных коммутационных циклов (VGS = ±30 В). (h) Увеличенный фрагмент, показанный на рис. (g). (i) Стабильность обоих типов транзисторов при воздействии напряжения смещения отрицательного знака (VGS = VDS = −30 В).

Ступенчатый измеритель серии JS компании «ZEPTOOLS», являясь образцом отечественного высокоточного оборудования для измерения поверхностей, благодаря своей инновационной технологической архитектуре, гибкости применений и надёжным метрологическим характеристикам позволяет проводить измерения толщины покрытий и высоты ступеней, а также исследовать морфологию поверхности, её рельеф и шероховатость. Он широко применяется в университетах, научно‑исследовательских лабораториях и институтах, а также в таких отраслях, как полупроводниковая и компаундная полупроводниковая промышленность, производство светодиодов высокой яркости, солнечная энергетика, микроэлектромеханические системы (MEMS), сенсорные экраны, автомобилестроение и медицинское оборудование. Являясь прорывным достижением отечественной научной приборостроительной отрасли, ступенчатые измерители серии JS разрушили многолетнюю монополию зарубежных брендов на рынке высококлассного оборудования для измерения поверхностей; благодаря высокой стоимости за счёт качества и преимуществам локализованного сервиса они стали предпочтительным выбором для отечественных университетов, научно‑исследовательских учреждений и производственных предприятий.