铜铟硒薄膜晶体管助力高性能电子器件！

【研究背景】

可溶液加工半导体是固态电子设备制造中的重要材料，因其在电子器件如逻辑电路和显示器等领域的应用而备受关注。与传统的硅等材料相比，这类半导体具有可扩展性、成本效益和高吞吐量等优点，尤其在高速逻辑电路和高分辨率显示背板的应用中展现出巨大的潜力。然而，这些材料的性能却受到结构缺陷的严重限制，这些缺陷主要来源于溶液前驱体的沉积过程，限制了其在新兴电子应用中的采用，因此亟需解决缺陷导致的性能问题。

为了克服上述问题，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Cao Qing课题组在可溶液加工半导体的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了基于铜铟硒（Cu-In-Se）化合物的薄膜，并实现了高性能晶体管的制造。通过在薄膜中有意引入多种异质缺陷，研究人员成功形成了规则的电气无害缺陷复合体，从而清除了能带隙中的深能级陷阱

利用这些有序缺陷化合物，团队显著提高了载流子传输性能。实验结果显示，CuIn5Se8 晶体管的场效应迁移率达到了 58 ± 10 cm² V⁻¹ s⁻¹，最大值超过 90 cm² V⁻¹ s⁻¹，并且实现了超过 35 μA μm⁻¹ 的高开态电流密度。该器件在开/关比和亚阈值摆幅方面表现出色，均匀性和稳定性也优于其他溶液加工半导体。进一步的应用展示中，CuIn5Se8 晶体管与碳纳米管薄膜晶体管集成，成功构建了 3D 高速互补逻辑门和高分辨率微型 LED 显示器，推动了该领域的发展，为解决可溶液加工半导体在应用中的缺陷问题提供了新的思路和技术路径。

携手们开始探索层状鲁德尔斯登-波普尔钙钛矿（RPPs）作为新型发光材料。RPPs因其固有的量子阱结构和可控的光电特性，显示出优越的激子动力学和高PLQY，尤其是在高生成率下，固有PLQY超过30%。此外，通过调节量子阱宽度或有机配体的成分，RPPs可以实现可调的发射波长。这些特性使得RPPs成为高性能LED的潜在材料，尽管基于纯单晶层状RPPs的微米级PeLEDs尚未得到广泛报道。

【表征解读】

本文通过透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）等高分辨率表征手段，发现了CuIn5Se8薄膜的晶体结构及其缺陷特征，从而揭示了材料在高性能薄膜晶体管中的应用潜力。在TEM/STEM表征中，使用了Thermo Scios 2双束扫描电子显微镜/聚焦离子束系统制备横截面样品，进一步利用FEI Themis Z分析型TEM/STEM进行高亮度场发射电子源（X-FEG）成像，以获得高角度环形暗场成像（HAADF）图像和对应的能谱（EDS），为CuIn5Se8的微观结构提供了重要的信息。

本文针对CuIn5Se8薄膜晶体管的电气特性，通过高分辨率的微观机理表征，得到了其载流子迁移率及其与晶体缺陷的关系。这一发现进一步挖掘了材料在集成电路和显示技术中的应用潜力。在电子器件制造过程中，使用了光刻和电子束蒸发等技术精确地制作了源极、漏极和栅极电极，结合原子层沉积（ALD）法制备的HfO2栅氧化层，确保了器件的良好电气性能。通过对电气特性和微观结构的深度分析，得到了CuIn5Se8薄膜在低功耗逻辑电路中的应用前景，特别是在3D单片集成互补逻辑电路中的重要性。

在此基础上，本文通过一系列表征手段，包括原子力显微镜（AFM）、Rutherford背散射（RBS）、X射线光电子能谱（XPS）等，对CuIn5Se8和其制备的薄膜晶体管进行了综合表征，结果显示出其优异的电气特性和稳定性。这些表征手段的结合使我们能够深入研究CuIn5Se8的物理化学特性，并为其在微型LED显示器中的应用奠定了基础。

【图文速递】

图 1. Cu-In-Se 薄膜的沉积与表征。

图 2. 基于溶液沉积的 Cu-In-Se 薄膜构建的晶体管。

图 3. Cu-In-Se 化合物的计算电子能带结构和载流子传输特性。

图 4. CuIn5Se8 晶体管的电气特性。

图 5. 单片集成 CuIn5Se8 和碳纳米管薄膜晶体管的 3D 反相器。

图 6. 高速环振荡器。

图 7. 由 CuIn5Se8 晶体管驱动的单片微型 LED 显示屏。

【科学启迪】

本文通过高分辨率透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）等先进表征技术，深入揭示了薄膜的微观结构特征及其晶体缺陷，为后续材料设计奠定了基础。其次，针对薄膜晶体管的载流子传输特性，采用电子束蒸发和原子层沉积等方法进行微观机理分析，展示了如何通过精确控制制备工艺来提升器件性能。

此外，通过原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）等手段，深入探讨了薄膜的表面形貌与成分均匀性对电子器件性能的影响。这表明，材料的微观特性与其宏观性能密切相关，强调了在材料开发过程中综合考虑微观结构与电学特性的重要性。

综上所述，本文不仅推动了Cu-In-Se薄膜材料的应用进展，也为其他新型半导体材料的研究提供了宝贵的经验和启示，促进了柔性电子、光电子器件等领域的技术创新。

原文详情：Hsien-Nung Wang et al. ,Solution-processable ordered defect compound semiconductors for high-performance electronics.Sci. Adv.10,eadr8636(2024).DOI:10.1126/sciadv.adr8636