研究背景

當前全球半導體產業競爭日益激烈，我國在"十四五"規劃和2035年遠景目標中明確提出要加強關鍵核心技術攻關，突破"卡脖子"技術瓶頸，加速推進新材料在集成電路領域的創新應用。錫基鈣鈦礦作為極具潛力的無鉛半導體材料，其小空穴有效質量、電荷傳輸和溶液可加工性為低成本、可擴展的高性能電子器件提供了新路徑。

但在實際應用中面臨嚴峻挑戰：Sn2?易氧化為Sn??產生錫空位導致高p型摻雜，三維結構的快速結晶動力學造成薄膜質量差、缺陷密度高，而準二維相在結晶過程中各組分競爭性生長引發的結構無序和隨機取向嚴重制約了電荷傳輸效率，這些基礎科學問題與技術瓶頸已成為制約我國在新型半導體材料領域實現彎道超車的關鍵障礙。

針對上述問題，由復旦大學組成的團隊利用澤攸科技JS系列臺階儀進行了系統研究，團隊通過低維模板引導結晶與延遲結晶動力學調控策略，成功制備出高遷移率(43 cm2V?1s?1)、高開關比(>10?)的錫基鈣鈦礦晶體管。

標題：Low-dimensional templates and delayed crystallization for high-quality tin-based perovskite films and high-performance transistors

期刊：Nature Communications

網址：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64560-2

低維模板引導的結晶動力學調控

研究團隊創新性地引入苯乙基銨硫氰酸鹽(PEASCN)與甲酸甲脒(FAHCOO)/碘化銨(NH?I)協同策略，成功實現了錫基鈣鈦礦薄膜結晶過程的精確調控。PEASCN在室溫下優先形成PEA?FASn?I?SCN?(n=2)雙層模板結構，而FAHCOO通過與Sn2?形成穩定配合物，有效抑制了三維FASnI?相的不可控生長。這一策略通過延遲結晶動力學，為低維中間相的自組裝提供了充足時間窗口，在退火過程中引導高維相沿垂直方向有序外延生長。薄膜厚度的精準控制對器件性能至關重要，研究人員使用了澤攸科技的JS系列臺階儀對旋涂并退火后的鈣鈦礦薄膜進行了精確的厚度表征，確認了優化后的薄膜厚度均一地保持在約40nm。這種納米級的精密測量數據為理解薄膜形貌與器件性能之間的構效關系提供了關鍵的實證支持，最終助力該器件在氮氣環境中存儲30天后仍能保持高度的電學穩定性。

圖1 | 準二維薄膜的結晶動力學。(a)不同退火時間下PEASCN-FAHCOO基薄膜的XRD圖譜。2L表示對應于PEA2FASn2I5SCN2的雙層(n=2)Ruddlesden-Popper鈣鈦礦相，3D表示三維FASnI3相。(b)PEASCN-FAHCOO基薄膜在退火過程中結構演變的示意圖。(c)未退火的PEASCN-FAHCOO基薄膜的GIWAXS圖譜。(d)退火1分鐘后PEASCN-FAHCOO基薄膜的GIWAXS圖譜。(e)不同退火時間下PEASCN-FAHCOO基薄膜的PL光譜。(f)不同退火時間下PEAI基薄膜的XRD圖譜。(g)退火后的PEASCN-FAHCOO基和PEAI基鈣鈦礦薄膜的XRD圖譜，附(100)衍射峰的局部放大圖。(h)積分環在qr=1.0??1處的方位角曲線。

氧化抑制與薄膜質量協同提升

錫基鈣鈦礦材料面臨的核心挑戰是Sn2?易氧化為Sn??導致高p型摻雜和缺陷密度增加。本研究通過多重機制協同解決這一難題：硫氰酸根(SCN?)摻入晶格通過N原子孤對電子與Sn2?配位，提高錫周圍電子密度；退火后PEA?陽離子在薄膜表面富集形成疏水保護層；FAHCOO的弱酸性環境和羧酸根基團與Sn2?的強配位作用進一步抑制氧化。這些協同效應顯著提升了薄膜質量，表現為XPS檢測到更低的Sn??含量、更高的水接觸角(約85°)、增強的光致發光強度以及延長的載流子壽命(3.6 ns vs 0.9 ns)。SEM圖像清晰展示了PEASCN-FAHCOO基薄膜具有致密均勻的形貌，表面粗糙度降至5.5 nm，為高性能晶體管奠定了材料基礎。

圖2 | 鈣鈦礦薄膜表征。(a)PEASCN-FAHCOO基和(b)PEAI基薄膜的典型SEM圖像。比例尺為200nm。(c)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基薄膜Sn 3d區域的高分辨XPS譜。(d)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基薄膜的接觸角。(e)PEAI、PEASCN-FAHCOO基薄膜的PL光譜。

高性能晶體管構建與工作機制

基于優化的錫基鈣鈦礦薄膜，研究團隊制備了底柵頂接觸構型的場效應晶體管，展現出的電學性能：室溫遷移率達43 cm2V?1s?1，開關比超過10?，亞閾值擺幅為0.66 V/dec。這種性能提升源于垂直取向晶體結構促進的載流子傳輸、低界面陷阱密度(1.57×1012 cm?2eV?1)以及改善的金-半導體接觸(接觸電阻降至76 Ω·cm)。能帶結構分析表明，SCN?摻入使費米能級下移，增強p型導電特性，同時提高功函數至4.49 eV，降低空穴注入勢壘至0.61 eV。統計200個器件的性能分布證實了該制備工藝的高重復性，平均遷移率達38 cm2V?1s?1，在已報道的錫基鈣鈦礦晶體管中處于領先水平。

圖3 | 器件性能表征。(a)PEAI基和(b)PEASCN-FAHCOO基底柵頂接觸FET的主要載流子傳輸路徑，包括載流子注入、垂直傳輸和界面傳輸。(c)VDS=-30V下的轉移曲線。(d)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的輸出曲線。(e)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的正向掃描飽和遷移率。(f)采用TLM方法提取的接觸電阻。(g)PEAI基和(h)PEASCN-FAHCOO基FET在不同VGS下的漏極電流噪聲功率譜密度。(i)200個PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的遷移率統計。

長期穩定性與可靠性驗證

針對錫基鈣鈦礦器件穩定性差的行業痛點，本研究系統評估了PEASCN-FAHCOO基晶體管在多種應力條件下的可靠性。未封裝器件在氮氣環境中存儲30天后，遷移率保持初始值的82%(34 vs 42 cm2V?1s?1)，而對照器件7天內完全失效。在100次連續轉移曲線測試中，閾值電壓漂移僅0.2 V，遠低于對照器件的3.9 V。5000次開關循環后，開/關比保持率高達98.3%，且在恒定偏壓應力下電流穩定性顯著提升。溫度依賴性測試表明，器件在低溫下幾乎無滯后現象(ΔV<0.5 V)，證實了離子遷移被有效抑制。這些優異的穩定性源于結晶質量提升、缺陷密度降低和疏水保護層的協同作用，為錫基鈣鈦礦在實際電子器件中的應用鋪平了道路。

圖4 | PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET的穩定性表征。(a)PEASCN-FAHCOO基和(b)PEAI基未封裝FET的存儲穩定性。(c)PEASCN-FAHCOO基FET導通電流和飽和遷移率隨存儲時間的變化。(d)PEASCN-FAHCOO基FET在100次循環(VDS=-30V)中的連續轉移曲線測量。(e)兩種FET在循環測量期間的閾值電壓(Vth)變化。(f)不同掃描步長下測得的轉移曲線。(g)PEAI基和PEASCN-FAHCOO基FET在5000次連續開關循環(VGS=±30V)測試。(h)(g)的局部放大圖。(i)兩種FET在負偏壓應力下的穩定性(VGS=VDS=-30V)。

澤攸科技JS系列臺階儀作為國產高精度表面測量設備的代表，憑借其創新的技術架構、靈活的應用場景及可靠的測量性能，可以對微納結構進行膜厚和臺階高度、表面形貌、表面波紋和表面粗糙度等的測量，在高校、研究實驗室和研究所、半導體和化合物半導體、高亮度LED、太陽能、MEMS微機電、觸摸屏、汽車、醫療設備等行業領域有著廣泛應用。作為國產科學儀器的突破性成果，JS系列臺階儀打破了國外品牌在表面測量設備領域的長期壟斷，憑借高性價比與本地化服務優勢，成為國內高校、科研機構及制造企業的優選設備。