В Корее представили перовскитный транзистор с лучшими в мире характеристиками

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Команда во главе с профессором Но Ён Ёна из POSTECH опубликовала статью в международном научном журнале «Nature»

Профессор Но Ён Ён из POSTECH [Фото предоставлено POSTECH]

Корейские учёные разработали базовую технологию, позволяющую радикально повысить производительность транзисторов p-типа, используемых в смартфонах.

2 июля исследовательская группа под руководством профессора Но Ён Ёна из Пхоханского университета науки и технологии (POSTECH) объявила о разработке перовскитного полупроводника, значительно превосходящего по производительности и стабильности существующие аналоги. Результаты данного исследования опубликованы в «Nature», одном из самых авторитетных международных научных журналов.

Внутри смартфона находится огромное количество транзисторов. Транзистор — это маленький переключатель, включающий и выключающий электрический сигнал; он подразделяется на «n-тип», переносящий электроны, и «p-тип», переносящий «дырки» (места, образовавшиеся после ухода электронов). Только при достижении баланса между этими двумя типами транзисторов можно создать высокопроизводительные и энергоэффективные полупроводники, однако повышение производительности транзисторов p-типа является особенно сложной задачей, в связи с чем она была включена в список «10 главных будущих проблем в области полупроводников», составленный Министерством науки и ИКТ Южной Кореи.

Перовскит на основе олова привлекает внимание как потенциальное решение этой проблемы. Он не только обеспечивает плавный поток дырок, но и способен демонстрировать производительность, сопоставимую с оксидными полупроводниками, которые в настоящее время используются в полупроводниках памяти и высокопроизводительных дисплеях. Однако самой большой проблемой является его уязвимость к воздействию воздуха. Остававшиеся на поверхности непрореагировавшие ионы олова (Sn²⁺) окислялись при контакте с воздухом, в результате чего возникало множество дефектов, препятствующих потоку заряда, что приводило к мгновенному снижению производительности полупроводника.

Решением, предложенным исследовательской группой, стала стратегия «реконструкции летучей поверхности». После обработки поверхности полупроводника цезий-олово-йод (CsSnI₃) веществом под названием ацетат калия (KAc) непрореагировавшие ионы олова, которые были причиной снижения производительности, превратились в летучее соединение — ацетат олова (Sn(Ac)₂) — и полностью улетучились в воздух. На месте, освободившемся после ухода ионов олова, естественным образом образовался йодид калия (KI), в результате чего сформировался слой, защищающий полупроводник от внешней среды.

Рис. 1: Механизм реконструкции поверхности под действием ацетата калия (Kac).

a, Схематическое изображение реакции летучего вещества с поверхностью. KAc избирательно вытравливает реакционноспособные концевые группы SnI2 на поверхности CsSnI3 и образует стабильный пассивирующий слой KI. b, Рассчитанная энтальпия реакции поверхностного замещения (SnI2 + 2KAc → 2KI + Sn(Ac)2) в зависимости от степени покрытия поверхности SnI2. c, Дифрактограммы смесей SnI2:KAc и эталонных пленок KI, подтверждающие образование KI после реакции. d, Кривые термогравиметрического анализа смеси SnI2:KAc, порошков Sn(Ac)2 и KI, демонстрирующие раннюю потерю массы смеси SnI2:KAc вследствие улетучивания Sn(Ac)2. a.u. — произвольные единицы.

Рис. 2: Характеристика структуры и поверхности исходных и обработанных KAc пленок CsSnI3.

a, Дифрактограммы, демонстрирующие идентичные орторомбические отражения CsSnI3 и появление слабого дифракционного пика (*), связанного с образованием KI. b, XPS-спектры Sn 3d5/2, демонстрирующие снижение доли недокоординированных Snδ<2+ и Sn4+ после обработки KAc. c, Спектры фотолюминесценции, показывающие повышенную интенсивность излучения пленки, обработанной KAc, что свидетельствует о подавлении нерадиационной рекомбинации. d, Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), демонстрирующие сопоставимую морфологию зерен. e, Изображения, полученные с помощью атомно-силового микроскопа, демонстрирующие шероховатость поверхности. f, Карта потенциала, полученная с помощью силовой микроскопии с зондом Кельвина, и соответствующий график, построенный по данным сканирования в диапазоне, обозначенном красной пунктирной линией, которые показывают более высокий поверхностный потенциал области, подвергшейся обработке KAc, что подтверждает снижение работы выхода и ослабление само-p-легирования. r.m.s. — среднеквадратичное отклонение. Масштабные линейки: 1 µm (d,e), 10 µm (f).

Рис. 3: Электрические характеристики TFT на основе CsSnI3 в исходном состоянии и после обработки KAc.

a, Схема архитектуры TFT с нижним затвором и нижним контактом. b, Кривые передачи устройств в исходном состоянии и оптимизированных устройств, обработанных KAc, демонстрирующие улучшенные характеристики устройств. IG — ток утечки затвора. IDS — ток стока. VGS — напряжение затвора. c, Изменение значений μFE и VTH при различной концентрации KAc на поверхности канала. d,e, Выходные характеристики TFT в исходном состоянии (d) и после обработки KAc (e). f, Последовательные сканирования переноса в течение 70 циклов (напряжение стока (VDS) = −40 В). g, Передаточные кривые 80 устройств, случайно выбранных из массива на уровне пластины (W/L = 200 µm/100 µm и VDS = −40 V). h, Распределение VTH по тому же набору устройств. i, Изменение нормализованного соотношения Ion/Ioff в зависимости от продолжительности нагрева при 100 °C в атмосфере N2.

Рис. 4: Стабильность TFT, обработанных KAc, в условиях окружающей среды.

a,b, Передаточные характеристики исходных (a) и обработанных KAc (b) TFT на основе CsSnI3 после воздействия воздуха в течение различного времени (сплошные линии) и после последующего хранения в N2 (пунктирные линии). c, Изменение VTH и Ion/Ioff в зависимости от времени воздействия воздуха и последующего восстановления в N2. d, Схематическое изображение механизма стабилизации. Слой KI, образовавшийся в результате обработки KAc, защищает канал CsSnI3 от необратимого окисления, одновременно позволяя осуществлять обратимую адсорбцию и десорбцию O2. e, Спектры XPS Sn 3d5/2 для исходных и обработанных KAc пленок CsSnI3 до и после воздействия воздуха. f,g, Изменение спектров оптического поглощения (f) и соответствующие фотографии (g) пленок CsSnI3 и обработанных KAc при воздействии атмосферных условий.

Пороговое напряжение, необходимое для включения устройства, снизилось, подвижность дырок превысила 50 см²/В·с, а коэффициент отношения токов, показывающий разницу при включении и выключении тока, составил более 100 миллионов (10⁸), что позволило достичь самую высокую в мире производительность среди перовскитных транзисторов p-типа.

В частности, если существующие устройства разрушались в воздухе за считанные минуты, то новое устройство без проблем проработало более 4 часов. Даже в условиях ускоренного старения при температуре 100 °C оно сохраняло исходные характеристики более месяца.

«Благодаря Samsung Display и Министерству науки, технологий, информации и коммуникаций, которые верили в эту тему, считавшуюся невозможной, и на протяжении последних шести лет оказывали нам постоянную поддержку, нам удалось добиться результатов, о которых впервые в мире в данной области было сообщено в журнале Nature» - сказал профессор Но Ён Ён.

«Данное исследование позволило решить проблему низкой стабильности, которая была хроническим ограничением для оловянных перовскитных полупроводников, а также обеспечить долгосрочную стабильность тонкопленочных транзисторов p-типа на основе перовскита и ускорить их применение в интегральных схемах» - отметил он, добавив: «В будущем данная технология будет использоваться в качестве ключевой технологии в широком спектре перспективных областей электронной промышленности, включая вертикально-многослойные элементы памяти DRAM для вычислений на базе алюминия, схемы управления дисплеями следующего поколения, а также носимые устройства и высокоинтегрированные полупроводниковые элементы».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технологич #чипы #электроника #транзисторы #химия #компьютеры #медицина #бизнес #финансы #общество #культура #искусство #азия