▲第一作者：刘奥
通讯作者：朱慧慧、Yong-Young Noh
通讯单位：浦项科技大学
论文DOI：
https://doi.org/10.1038/s41928-023-01001-2
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全文速览
针对目前电子器件对低成本、高性能半导体研发的持续需求，新兴卤素钙钛矿半导体成为一类强有力的候选材料。然而现阶段对于该材料体系的本征电学性能以及其在场效应晶体管及逻辑器件的应用潜力尚不明晰。该工作从锡、铅钙钛矿入手，深入讨论了材料组分、结构、缺陷、极性等因素对电荷传输的影响，并评估了各类卤素钙钛矿材料的应用前景。随后从组分调节、制备工艺、器件集成等策略讨论了钙钛矿基晶体管的发展机遇和挑战，最后展望了其在各类电子器件的应用前景。
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背景介绍
近年来金属卤素钙钛矿凭借其优异的光电性能、可低成本加工等优势在太阳能电池、发光二极管、光探测器等领域大放异彩。其优异的电荷传输能力也非常有潜力成为制备高性能场效应晶体管半导体沟道层的材料。然而自上世纪末钙钛矿晶体管首次被报道以来，20余年的发展一直难以实现器件性能的突破。得益于近年来对钙钛矿材料的深入理解和科研人员的持续跟进，近期工作陆续实现了器件电学参数、稳定性和重复性的重要突破，迅速吸引业界人员的广泛研究兴趣与跟进。考虑不同学科研究背景，我们对该领域进行深入剖析，希望进一步推进钙钛矿基电子器件的发展。
03
本文亮点
1)本工作借助锡、铅钙钛矿为例，阐述了各组分对于电学能带的贡献，同时讨论了其与卤素键角对于电学轨道的交叠和电荷传输的影响。其独特的反键价带结构以及较强的自旋轨道耦合分别实现价带和导带的“缺陷容忍”。上述特性对于钙钛矿优异电学性能至关重要。钙钛矿作为离子键化合物，材料组份的选择是减少电子-声子的相互作用并实现本征高载流子迁移率的关键。
2)目前锡、铅钙钛矿广为研究报道。我们首先回顾了铅基钙钛矿晶体管的发展并深入讨论其作为半导体沟道层实现高电学性能的局限性。随后我们亮点报道了锡基钙钛矿晶体管的发展并强调该类材料是目前实现高性能晶体管的最有力竞争者。其本征的高空穴迁移率有望推进高性能P沟道（空穴）场效应晶体管和互补式金属氧化物半导体（CMOS）的研发。其独特的锡空位缺陷环境大大减弱了潜在的离子移动，提升器件稳定性和可靠性。我们同时对于钙钛矿晶体管的测试和重复性提升提出建议。
3)针对钙钛矿在各类电子器件的应用潜力，我们从器件性能和稳定性的提升、电路集成、器件应用拓展和新材料预测等方面详细地讨论了钙钛矿基电子器件的发展机遇和挑战。
04
图文解析
▲图1. 钙钛矿基场效应晶体管的发展、基本介绍及电学性能汇总
要点：
总结了不同卤素钙钛矿材料在晶体管上应用的时间节点（图1a）。介绍了电场诱导的载流子在薄膜晶体管（底栅-顶接触结构）工作时的传输路径（图1b）。汇总了不同卤素钙钛矿材料体系在场效应晶体管实现的场效应迁移率（图1c）。
▲图2. 锡、铅基钙钛矿基本电学特性
要点：
讨论了电学边缘能带主要由B位阳离子和X位卤素组成，A位阳离子主要贡献于深能级价带（图2a）。尽管如此，A位阳离子的存在是至关重要的，可以实现较大的B位阳离子和X位卤素电子云的交叠，这是实现优异电学特性的关键（图2a-2b）。同时具备的反键价带和强的自旋轨道耦合分别实现价带和导带的“缺陷容忍”。这使得主体缺陷位于较浅能级，对载流子传输影响较小（图2d-2e）。钙钛矿作为离子键化合物，其电子-声子的相互作用可能限制卤素钙钛矿实现媲美于传统无机半导体的极高载流子迁移率（图2f）。
▲图3. 锡、铅基钙钛矿薄膜晶体管电学特性及离子移动和化学缺陷对载流子传输的影响
要点：
首先回顾了铅基钙钛矿晶体管的发展并讨论其较为严重的离子移动的来源以及对于器件的影响。同时剖析了铅基钙钛矿作为半导体沟道层对于实现高迁移率、高电流开关比的局限性。然而考虑到铅基钙钛矿作为太阳能电池应用的首选材料，晶体管作为基本电荷传输的研究手段同样重要（图3a-3c）。后面部分回顾了锡基钙钛矿晶体管的发展并亮点报道了多个代表性研究成果。其独特的锡空位主导的缺陷环境大大减弱了潜在的离子移动，使得制备器件在室温、常规测试条件下展现高的电学性能、稳定性和可靠性（图3d-3f）。
▲图4. 钙钛矿基薄膜晶体管的稳定性优化及未来发展、应用方向
要点：
不同于太阳能电池苛刻的应用环境，钙钛矿有望实现较为稳定操作的电子器件（图4a）。相比于传统溶液制备工艺，热蒸发薄膜制备方法更兼容工业生产，其成功在电子器件的应用备受期待（图4b）。卤素钙钛矿晶体管还在3D单片集成、发光/探测、仿生类脑等领域具有广泛的研究和应用潜力（图4c-4e）。
05
总结与展望
该工作系统地总结并展望了卤素钙钛矿半导体材料在高性能场效应晶体管及相关电子器件的应用潜力及未来发展机遇和挑战。近年来陆续实现的突破进展标志着卤素钙钛矿半导体正式进入新一代电子器件研发的竞争行列。作者希望该工作可以帮助不同学科的科研人员更好地了解钙钛矿基场效应晶体管的发展并吸引更多业界人员的研究兴趣，进一步推进钙钛矿材料在各类电子器件的蓬勃发展。
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作者介绍
刘奥，现美国西北大学博士后研究员（合作导师：Ted Sargent和Mercouri Kanatzidis）。长期致力于新型半导体材料研发及相关电子器件研究。迄今共发表论文80余篇，其中以第一/通讯作者（含共同）在Nat. Electron. (3), Nat. Commun. (2), Adv. Mater. (4)等期刊发表论文47篇，封面论文8篇。论文被引用4200余次，h因子38。多次被Nat. Electron.、ACS Energy Lett.、Tech Xplore等学术期刊和媒体亮点报道。授权中、韩发明专利10余项，与韩国三星、LG等公司保持长期项目合作。
朱慧慧，现美国西北大学博士后研究员。致力于钙钛矿基薄膜晶体管和光电探测方向，取得系列特色、原创性成果。以第一/通讯作者（含共同）在Nat. Electron. (4), Nat. Commun. (2), Adv. Mater. (3), Adv. Funct. Mater. (3), ACS Energy. Lett., ACS Nano, IEEE EDL (2)等期刊发表论文30余篇。文章被引用3100余次，H因子33。授权中、美、韩发明专利5项，含与三星电子共同申请1项。
Yong-Young Noh（鲁容泳），韩国浦项科技大学（POSTECH）化学工程系首席教授。主要从事可打印半导体材料及相关光电子器件研究。相关成果发表在Nature, Nat. Nanotechnol., Nat. Mater., Nat. Electron., Nat. Commun., Adv. Mater., JACS等期刊。文章被引用20000余次，H因子70。担任IEEE Transactions of Electronic Devices等学术期刊编辑。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-023-01001-2
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