有序缺陷增强了溶液沉积半导体的性能，从而实现了更大的高性能显示器

Josiah02 · 发表于 2024-10-11 16:36:23

半导体器件（实现电子产品的技术）的标准制造技术涉及在真空容器中高温处理原材料。这从根本上限制了制造效率和可扩展性。
基于在较低温度和环境压力下从化学溶液中沉积的工艺长期以来一直被视为一种更有效、更具可扩展性的替代方法，但此类工艺通常会导致材料出现大量结构缺陷，从而导致器件性能下降。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院材料科学与工程教授曹青的实验室开发出一种工艺，可从溶液沉积半导体中生产出迄今为止性能最高的晶体管。然而，研究团队惊讶地发现，该工艺的最佳半导体的缺陷浓度高于其母体材料。
曹说：“值得注意的是，尽管缺陷更多，但它们排列成有序的缺陷对，是我们的材料拥有采用溶液沉积工艺制成的材料史上最高性能的原因。”
“我们超越了基础材料科学，证明了可以构建显示器等功能电路和系统，为其在许多需要覆盖大面积的高性能电子设备的新兴应用中的应用铺平了道路。”
该研究发表在《科学进展》杂志上，概述了通过溶液沉积制备的有序缺陷化合物半导体 CuIn 5 Se 8制造器件的程序。
它们被用来形成以兆赫兹运行的高速逻辑电路和分辨率为每英寸 508 像素的微型显示器。显示器中的晶体管驱动无机微型 LED，这是一种比当前标准的有机 LED 更亮、更耐用的替代品，但需要更强大的晶体管来驱动每个像素。
曹相信，新材料和新工艺可以扩展以支持用于医疗保健、智能包装和物联网的下一代无机微型 LED 显示器和高速可打印电子产品。
溶液沉积的前景
标准半导体制造所需的极端条件限制了加工材料的表面积。虽然这对于芯片和微电子器件来说是可以接受的，但对于需要许多设备协调并分布在大面积上的应用（如电子显示器）来说，这在经济上是无法承受的。
溶液沉积，即将半导体溶解在液体中并分布在目标基板上，不仅可以实现大面积应用，还可以提高处理效率。
曹说：“溶液沉积可以在大气压和低得多的温度下进行，这一事实使其成为标准气相沉积在制造产量、成本和基材兼容性方面的理想替代方案。”
然而，气相沉积技术已经发展到这样一种程度：加工后的材料缺陷很少，从而可以生产出高性能的设备。在溶液沉积技术用于商业加工之前，必须将其发展到这样一种程度：它所生产的材料具有相同的性能水平。
更好的半导体
曹回忆说，铜铟硒材料最初因其可调性而引起实验室的注意。改变材料中每种元素的精确比例为他们提供了巨大的材料设计空间，使他们能够以 0.9:1:2 的铜铟硒比例实现有效的太阳能电池。
“我们的想法是，‘我们可以控制材料的比例，那么我们能否调整它们来制造出用于电子产品的优质半导体而不是优质的太阳能电池？’”曹说。
“我们为这些材料开发了一种溶液沉积工艺，并尝试了各种比例，直到我们找到一种适合电子用途的材料，其铜铟硒比例为 1:5:8。事实上，我们发现的组合不仅优于其他可溶液处理的半导体，而且优于目前显示器中使用的大多数半导体。”
半导体性能通常用电荷迁移率来量化，电荷迁移率是衡量施加电压时电子穿过材料的难易程度的指标。与大型 LCD 显示器中使用的非晶硅半导体相比，研究人员的材料 CuIn 5 Se 8的迁移率高出 500 倍。与最先进的有机 LED 显示器中使用的金属氧化物半导体相比，这种新材料的迁移率高出四倍。
CuIn 5 Se 8的迁移率与智能手机显示屏中使用的低温多晶硅相当。然而，多晶硅加工需要激光退火，因此难以扩大规模并纳入更大的设备中。溶液沉积的 CuIn 5 Se 8可以促进更大的高性能显示屏。
令人惊讶的是，缺陷更多
研究人员的下一步是弄清楚 CuIn 5 Se 8性能如此出色的原因。他们咨询了 Grainger Engineering 材料科学与工程教授兼材料表征专家 Jian-Min Zuo。
曹说：“一般来说，作为材料科学家，我们认为性能更好的材料缺陷更少，这也是我们最初的预期。”
“但后来左教授用透射电子显微镜观察了微观结构后，回复了我们。结果发现，缺陷不仅比母体化合物多，而且很可能是两种缺陷共存。”
为了解决这个明显的矛盾，研究人员向格兰杰工程大学材料科学与工程教授、理论家安德烈·施莱夫 (André Schleife) 寻求帮助。
通过模拟新的铜铟硒材料，Schleife 团队发现 CuIn 5 Se 8中的两种缺陷可以结合形成一种称为有序缺陷化合物的材料系统。在这种系统中，不同类型的材料缺陷会组织成规则的模式并“抵消”，从而提高电荷迁移率。
打印高速电子产品和更高性能显示器的途径
研究人员通过使用新的缺陷容忍铜铟硒半导体与氮化镓基微型 LED 一起构建显示器，展示了其工艺的能力。CuIn 5 Se 8材料构成了高性能晶体管的基础，这些晶体管可操作 8×8 微米的 LED 像素，这些像素紧密排列，分辨率为每英寸 508 像素。
曹解释说：“虽然有机 LED 是高性能显示器的标准，但基于氮化镓等无机物质的 LED 正在成为一种速度更快、亮度更高、更节能的替代品。”
“然而，由于它们更亮，因此需要高功率电子设备才能运行，如果我们想将它们压缩到更小的空间内以实现高分辨率，这尤其具有挑战性。我们证明了我们的新半导体可以胜任这项任务，并且我们已经证明它可以用溶液沉积高效制造。”
除了驱动 LED 之外，这些晶体管还可以集成以形成逻辑电路，与构建在其他可溶液处理的半导体上的电路相比，它们的性能也好得多。这些电路可以以兆赫兹的频率运行，延迟时间低至 75 纳秒。
兼容低成本溶液沉积工艺且不牺牲性能，是未来可印刷电子产品的一大亮点。它们可用于持续健康监测、集成传感和计算的智能包装以及价格实惠的物联网设备。
曹指出，尽管该工艺已经足够成熟，可以实现商业化，但他们仍打算推迟实施，直到该工艺变得更加环保。
“该工艺目前以肼为基础，肼可用作火箭燃料，”他说。“它可以用于工业环境，但我们首先想修改该工艺，使用更安全、对环境影响更小的化学品。”

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