一种新颖的半导体材料沉积方法通过故意制造更多缺陷，导致性能卓越的晶体管，这一结果出乎意料。研究人员利用这些先进设备构建了高速逻辑电路和功能性高分辨率无机LED显示屏。
一种新颖的半导体材料沉积方法通过故意制造更多缺陷，导致性能卓越的晶体管，这一结果出乎意料。研究人员利用这些先进设备构建了高速逻辑电路和功能性高分辨率无机LED显示屏。
传统上，制造半导体设备——现代电子产品的关键组成部分——涉及在高温真空环境中处理基本材料。这种方法固有地限制了我们多高效和广泛地制造这些产品。
探索了在较低温度和常压下使用化学溶液的更高效和可扩展的选项。然而，这些技术通常会导致材料具有大量结构缺陷，从而导致所生产设备的性能不理想。
由伊利诺伊大学香槟分校格兰杰工程学院材料科学与工程副教授曹青领导的实验室创新了一种技术，生产出迄今为止由溶液沉积半导体衍生的最高性能晶体管。令人惊讶的是，研究团队发现，在此过程中使用的有效半导体材料相比其原始形态具有更多的缺陷。
“令人震惊的是，尽管缺陷水平增加，但它们形成有序缺陷对的方式却负责实现我们通过溶液沉积过程制造的材料的创纪录性能，”曹说。“我们将研究扩展到基本材料科学之外，证明我们可以构建功能电路和系统，例如显示器，为许多新兴应用的广泛采用奠定基础，这些应用需要在大规模上实现高性能电子元件。”
这项研究最近发表在《科学进展》期刊上，描述了一种通过溶液沉积从有序缺陷化合物半导体CuIn5Se8生产设备的详细方法。这些设备被用于创建在兆赫兹范围内工作的高速逻辑电路和具有508像素每英寸分辨率的微型显示屏。该显示屏中的晶体管为无机微型LED供电，这些LED比当前的有机LED标准显著更亮且更耐用，但需要更强大的晶体管来激活像素。曹认为，这种新材料和方法可以扩展到支持下一代无机微型LED显示器和用于医疗保健、智能包装以及物联网应用的高速印刷电子。
溶液沉积的潜力
传统半导体制造的高需求条件限制了所用材料的表面积。虽然这一限制对于芯片和微电子设备是可管理的，但对需要协调大面积的设备（如电子显示屏）则经济上不可行。溶液沉积涉及将半导体溶解在液体中并将其应用于基材，这不仅可以便利大面积应用，还可以简化处理效率。
“溶液沉积能够在常压和显著较低温度下进行，使其在生产速度、成本和基材兼容性方面成为传统蒸汽沉积的有利替代品，”曹解释道。
然而，蒸汽沉积技术已经变得非常先进，能够生产出缺陷极少的材料，从而导致高性能设备。在溶液沉积方法能够商业化之前，必须完善以生产具有可比较性能水平的材料。
改进的半导体
曹回忆起，铜铟硒材料最初吸引了他实验室的注意，因为其可调性。通过调整每种元素的精确比例，他们探索了广泛的设计空间，以创建铜铟硒比例为0.9:1:2的有效太阳能电池。
“我们想，如果我们能控制材料比例，是否可以对其进行修改，以创建用于电子而不仅仅是太阳能电池的功能半导体？”曹思考道。“我们为这些材料开发了一种溶液沉积方法，尝试不同的比例，直到确定一种适合电子应用的混合物，具体为铜铟硒比例1:5:8。这种配方不仅超越了其他可溶液处理的半导体，还超越了许多现有显示器中使用的材料。”
半导体的有效性通常通过电荷迁移率来衡量，这表明电子在电压下流经材料的容易程度。材料CuIn5Se8的迁移率是常用于大规模LCD显示器的非晶硅半导体的500倍，是在先进有机LED显示器中使用的金属氧化物半导体的四倍。
CuIn5Se8具有类似低温多晶硅的电荷迁移率，后者用于智能手机显示器。然而，处理多晶硅通常涉及激光退火，使其难以扩展并集成到更大设备中。有可能，溶液沉积的CuIn5Se8可以促进更大、高性能显示器的生产。
缺陷意外增加
接下来，研究人员旨在了解为什么CuIn5Se8表现如此出色。他们咨询了格兰杰工程学院材料科学与工程教授、中材料表征专家的左建民教授。
“通常，作为材料科学家，我们认为高性能材料具有更少的缺陷，这也是我们最初的假设，”曹表示。“然而，在使用透射电子显微镜检查微观结构后，左教授确认不但缺陷数量多于母化合物，而且可能有两种类型的缺陷共存！”
为了解决这一矛盾，研究人员与理论家安德烈·施莱菲合作，他是格兰杰工程学院材料科学与工程副教授。他的团队对新的铜铟硒材料进行了模拟，发现CuIn5Se8中的两种缺陷类型可以相互作用，形成一种称为有序缺陷化合物的结构。在这些结构中，各种缺陷排列成规则模式，有效地“相互抵消”，从而提高电荷迁移率。
打印高速电子和增强显示器的途径
研究人员通过使用他们的新缺陷容限铜铟硒半导体与氮化镓微型LED创建显示器，展示了他们过程的能力。CuIn5Se8材料为以8乘8微米的LED像素操作的高性能晶体管打下了基础，这些像素紧密排列，以实现508像素每英寸的分辨率。
“尽管有机LED仍然是先进显示器的标准，但基于无机材料（如氮化镓）的LED正越来越多地作为更快、更亮且更节能的替代品出现，”曹说。“然而，由于其更高的亮度，尤其在压缩成更小的高分辨率形式时，它们需要强大的电子元件才能高效工作。我们的发现表明，我们的新半导体满足这一需求，并且我们已经证明了其通过溶液沉积的有效制造。”
除了为LED供电，这些晶体管还可以集成到逻辑电路中，提供明显优于其他可溶液处理半导体的性能。这些电路可以以兆赫兹速度运行，延迟时间短至75纳秒。溶液沉积过程与低成本技术的兼容性而不影响性能，显示了未来可打印电子设备的广阔前景。它们可以满足诸如持续健康监测、带有集成传感和计算的智能包装及经济实惠的物联网设备等应用。
曹指出，尽管该过程已经充分发展可以实现商业化，但他们推迟这一步骤，直到建立更环保的版本。
“当前过程依赖于肼，这是一种用作火箭燃料的物质，”他指出。“尽管它可以在工业环境中运行，但我们希望使用更安全的化学品进行改进，同时减少我们的环境影响。”
