鐵電半導(dǎo)體因其可切換極化、鐵電場(chǎng)調(diào)控以及半導(dǎo)體輸運(yùn)特性等優(yōu)勢(shì)，在鐵電晶體管和非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，制備同時(shí)具有強(qiáng)鐵電性和半導(dǎo)體特性的薄膜頗具挑戰(zhàn)。近年來(lái)，錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體因其 p 型特性和較低的載流子有效質(zhì)量備受關(guān)注，但具有強(qiáng)鐵電性的錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體卻鮮有報(bào)道。高載流子濃度會(huì)屏蔽鐵電極化場(chǎng)，致使鐵電極化減弱甚至消失。因此，探索一種使錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體具有鐵電性的新方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)低功耗器件和存儲(chǔ)器的應(yīng)用至關(guān)重要。

復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系的褚君浩院士和李文武研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的分子重構(gòu)策略，通過(guò)摻雜2-jia基苯并咪唑（MBI），成功將錫基鈣鈦礦半導(dǎo)體薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電半導(dǎo)體薄膜，這一轉(zhuǎn)變?cè)从诜肿又貥?gòu)。重構(gòu)后的鐵電半導(dǎo)體表現(xiàn)出高達(dá)23.2 μC/cm²的剩余極化（Pr）。鐵電性的產(chǎn)生源于咪唑分子摻雜后氫鍵的增強(qiáng)，從而導(dǎo)致空間對(duì)稱(chēng)性破缺，使得正負(fù)電荷中心不再重合。值得注意的是，基于鈣鈦礦鐵電半導(dǎo)體的晶體管表現(xiàn)出低于67 mV/dec的亞閾值擺幅（SS），進(jìn)一步證實(shí)了引入鐵電性的顯著優(yōu)勢(shì)。這一發(fā)現(xiàn)為基于錫基鈣鈦礦的鐵電器件提供了新的材料平臺(tái)，也為下一代電子器件的設(shè)計(jì)和發(fā)展開(kāi)拓了廣闊前景。相關(guān)研究成果以“Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration”為題，發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。李文武研究員為通訊作者，材料科學(xué)系博士生劉昱為第一作者。

圖1 錫基鈣鈦礦薄膜的壓電原子力顯微鏡（PFM）、二次諧波光譜（SHG）和鐵電性能

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將摻MBI分子的錫基鐵電鈣鈦礦應(yīng)用于鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FeFET）中，研發(fā)了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的器件（圖2a）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，原始晶體管的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)呈現(xiàn)出典型的界面缺陷和體缺陷捕獲載流子的特征（圖 2b），反向電流低于正向電流。而摻MBI后的FeFET，由于極化電場(chǎng)的作用，反向電流超過(guò)正向電流，展現(xiàn)出顯著的鐵電滯回現(xiàn)象。研究人員還對(duì)不同掃描速度、掃描范圍、漏源電壓和不同溫度下的轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)掃描窗口基本保持一致，再次證明了滯后現(xiàn)象源于鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FeFETs）的鐵電性。同時(shí)，隨著MBI濃度的增加，器件的亞閾值擺幅（SS）從120 mV/dec降至67 mV/dec，充分表明該材料在低壓操作和低功耗器件方面有著的巨大潛力。

圖2 基于鐵電鈣鈦礦半導(dǎo)體的錫基晶體管的電學(xué)表征

本次工作中，基于鐵電鈣鈦礦半導(dǎo)體的錫基晶體管的常溫及變溫電學(xué)表征能夠精準(zhǔn)完成，Lake Shore CRX-6.5K低溫探針臺(tái)發(fā)揮了重要的作用，它與Keysight B1500協(xié)同工作，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

CRX-6.5K低溫探針臺(tái)主要參數(shù)：

? 溫度范圍8 K ~ 350 K

? 可升級(jí)高溫選件至675 K

? 溫度控制穩(wěn)定性±10 mK @ 11 K~350 K

? 最多可配置6個(gè)探針臂

? 直流漏電流＜100 fA

? 微波頻率最高至67GHz

? 光纖可用波長(zhǎng)覆蓋200 nm~2100 nm

圖3 Lake Shore CRX-6.5K 低溫探針臺(tái)

Lake Shore低溫探針臺(tái)創(chuàng)新型變溫測(cè)量解決方案

在使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀進(jìn)行變溫測(cè)試時(shí)，設(shè)備與變溫測(cè)試結(jié)合困難一直是困擾研究人員的難題。Lake Shore聯(lián)合是德科技和吉時(shí)利，推出了自動(dòng)變溫測(cè)量的解決方案，讓變溫半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)量變得便捷、可靠、高效！

1. 與是德科技（Keysight）B1500A 半導(dǎo)體器件參數(shù)分析儀聯(lián)用

研究人員將是德科技B1500A 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀及其EasyExpert™軟件與Lake Shore低溫探針臺(tái)的336溫控儀的接口連接，能夠在自動(dòng)化測(cè)量過(guò)程中通過(guò)編程管理溫度設(shè)置。啟動(dòng)后，軟件會(huì)在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行各種參數(shù)測(cè)量，并與 336 型溫控儀無(wú)縫協(xié)作，精確記錄和控制樣品溫度，實(shí)現(xiàn)了在寬溫度范圍內(nèi)對(duì)早期材料和器件的自動(dòng)精確表征。

圖4 是德科技B1500半導(dǎo)體參數(shù)分析儀的EasyExpert 軟件與Lake Shore低溫探針臺(tái)的336溫控儀聯(lián)用

2. 與吉時(shí)利（Keithley）4200-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀聯(lián)用

許多Lake Shore的客戶(hù)使用多個(gè)單獨(dú)的測(cè)量?jī)x表和自動(dòng)化軟件來(lái)控制探針臺(tái)測(cè)量。但我們也注意到，有些客戶(hù)正在使用吉時(shí)利 4200-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀系統(tǒng)的集成編程接口與Lake Shore的336溫控儀聯(lián)用，并結(jié)合有的 ZN50R-CVT 探針，可在Lake Shore探針臺(tái)中實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)量的自動(dòng)化運(yùn)行。用戶(hù)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，使其按設(shè)定的溫度逐步變化，并在一定溫度范圍內(nèi)運(yùn)行多項(xiàng)測(cè)量，無(wú)需手動(dòng)重復(fù)進(jìn)行探針抬起、落針以及多次的溫度重新設(shè)定等繁瑣操作。吉時(shí)利新發(fā)布的固件中包含了用于Lake Shore 336 型溫控儀（該儀器用于控制探針臺(tái)樣品臺(tái)溫度）的驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)一步優(yōu)化了二者的兼容性。

圖5 吉時(shí)利4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀與336溫控儀自動(dòng)控制兼容界面

3. 自動(dòng)變溫測(cè)試重要配件——ZN50R-CVT適用變溫探針

Lake Shore的 CVT（連續(xù)可變溫度）探針的設(shè)計(jì)，能夠抵消因熱脹冷縮導(dǎo)致的探針臂移動(dòng)，確保在整個(gè)變溫循環(huán)過(guò)程中，探針尖的著陸位置保持穩(wěn)定。同時(shí)，CVT 探針可裝到現(xiàn)有平臺(tái)上，通過(guò)簡(jiǎn)化和優(yōu)化測(cè)量流程，以及拓展新的測(cè)量應(yīng)用，提升Lake Shore探針臺(tái)的整體功能。

圖6 CVT適用變溫探針實(shí)物圖

與標(biāo)準(zhǔn) ZN50R 探針相比，CVT 探針在變溫測(cè)試時(shí)無(wú)需頻繁重新定位，有效減少了調(diào)整探針位置的時(shí)間，降低了測(cè)量誤差。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)探針和CVT探針比較

除了提高效率和更快獲得結(jié)果外，消除重復(fù)接觸定位帶來(lái)的差異，還能大幅降低測(cè)量誤差。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富、操作熟練的用戶(hù)，也無(wú)法消除每次探針著陸時(shí)接觸電阻的變化。使用CVT探針，包括霍爾效應(yīng)、柵控霍爾效應(yīng)、電流-電壓（I-V）、反常霍爾效應(yīng)（AHE）、磁阻（MR）、深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）、電容-電壓（C-V）、光致發(fā)光和塞貝克效應(yīng)等測(cè)量，都會(huì)變得更加輕松便捷。

變溫霍爾效應(yīng)測(cè)試實(shí)例對(duì)比

下圖展示了 ZN50R-CVT 探針在實(shí)際測(cè)量中的性能。通過(guò)對(duì)比 ZN50R - CVT 探針和Lake Shore標(biāo)準(zhǔn) ZN50R 探針，得出了霍爾遷移率隨溫度的變化關(guān)系。測(cè)量是在Lake Shore CPX - VF 垂直磁場(chǎng)探針臺(tái)上進(jìn)行的。在溫度變化期間，ZN50R 探針需要抬起，待溫度穩(wěn)定后再重新放置，這一過(guò)程需要操作人員進(jìn)行 14 次不同的操作干預(yù)。而ZN50R-CVT 探針在 20K 時(shí)放置在樣品上，在20K 至 300K 的溫度范圍內(nèi)無(wú)需操作人員干預(yù)。在這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，溫度都是以逐點(diǎn)升溫的模式調(diào)節(jié)的：先改變?cè)O(shè)定溫度，待溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行測(cè)量。

圖8 變溫霍爾效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)探針和CVT探針操作對(duì)比

Lake Shore低溫探針臺(tái)憑借其寬溫度范圍、高穩(wěn)定性和多功能配置，為錫基鈣鈦礦鐵電半導(dǎo)體薄膜及其低功耗晶體管研究提供了強(qiáng)有力的支持。自動(dòng)化變溫測(cè)量解決方案和CVT適用變溫探針的引入，進(jìn)一步提升了實(shí)驗(yàn)的便捷性和準(zhǔn)確性。這一創(chuàng)新性進(jìn)展不僅推動(dòng)了鈣鈦礦半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展，更為未來(lái)低功耗、高效能電子器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Liu, Y., Yang, S., Hua, L. et al. Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration. Nat. Commun., (2025).

相關(guān)產(chǎn)品

1、Lake Shore低溫探針臺(tái)系列http://www.js967.com/usermanage/default.aspx?pro_promanage