Ermöglicht die Perowskit-FET-Forschung mit hohem Durchsatz durch eine anpassbare automatisierte FET-Messstation

Zusammenfassung

Dieses Protokoll stellt einen Hochdurchsatzprozess für die Herstellung und Charakterisierung von Perowskit-Dünnschicht-Feldeffekttransistoren dar. Wir beschreiben einen anpassbaren Herstellungsprozess mittels Photolithographie und stellen ein automatisiertes Charakterisierungsverfahren vor, das einen Multiplexer mit kundenspezifischen Messplatinen und selbstgeschriebener Software kombiniert.

Zusammenfassung

Perowskit-basierte Dünnschicht-Feldeffekttransistoren (PeFETs) haben das volle theoretische Potenzial dieser vielversprechenden Materialklasse noch nicht ausgeschöpft. Um diese Lücke zu schließen, ist es unerlässlich, neuartige Perowskit-Zusammensetzungen und Herstellungstechniken zu entwickeln und zu optimieren. Angesichts der großen Vielfalt potenzieller Verbindungen sowie der Vielzahl von Einflussgrößen wie Konzentration, Temperatur und Wahl des Lösungsmittels ist ein Hochdurchsatz-Forschungsansatz entscheidend für eine effiziente Erforschung und Weiterentwicklung. Wir präsentieren einen flexiblen und anpassbaren Prozess, der von der Substratherstellung bis zur Gerätecharakterisierung reicht. Dieser Prozess wird ermöglicht durch die Photolithographie für die benutzerdefinierte Strukturierung, eine automatisierte Messstation für die FET-Charakterisierung und die automatisierte Datenanalyse ermöglicht und integriert. Der automatisierte Messplatz basiert auf einem Multiplexer, der mit fünf Messplatinen verbunden ist. Die Messkarten sind so konfiguriert, dass sie ein Substrat mit jeweils vier Geräten messen. Ermöglicht die automatisierte Messung von 20 Geräten mit bis zu 5 verschiedenen Perowskit-Formulierungen. Unter Verwendung standardisierter Testverfahren werden die Rohdaten automatisch analysiert, um die Übertragungs- und Ausgangseigenschaften der PeFETs sowie wichtige Leistungsparameter wie die Schwellenspannung, den Unterschwellenhub und die Feldeffektmobilität zu erhalten. Das Ergebnis ist ein systematisch organisierter Datenpool mit leicht vergleichbaren Daten für unterschiedliche Perowskit-Zusammensetzungen oder Modifikationen der Herstellungsbedingungen.

Einleitung

Der Bereich der optoelektronischen Bauelemente auf Basis von Metallhalogenid-Perowskit (MHP) hat in den letzten zwei Jahrzehnten erstaunliche Fortschritte gemacht. Insbesondere der erfolgreiche Einbau in die Photovoltaik und Leuchtdioden (LEDs) hat zu einem stetig wachsenden Interesse an dieser Materialklasse geführt. Der Wirkungsgrad von MHP-basierten Solarzellen ist von 13,9 % im Jahr 2013 auf 26,7 % im Jahr 2024 rapide gestiegen 1,2,3,4,5,6. MHP-basierte LEDs haben eine externe Quanteneffizienz von 20 % über einen weiten Bereich des sichtbaren Spektrums überschritten, indem sie die Fähigkeit einer fein abstimmbaren Bandlücke nutzen und auch zweifarbige LEDs ermöglichen ^7,8,9. Diese beeindruckenden Entwicklungen zeigen die Fähigkeiten von MHPs für optoelektronische Bauelemente.

Dennoch sind die Fortschritte auf dem Gebiet der MHP-basierten Dünnschicht-Feldeffekttransistoren (PeFETs) in der Entwicklung noch nicht so erfolgreich gewesen. Trotz der Tatsache, dass die theoretischen Eigenschaften von MHPs sie zu einer vielversprechenden Wahl für FETs machen sollten, mit theoretischen Ladungsträgermobilitäten von über 1000 cm^{2 V-1 s-1} und einem ausgeglichenen Trägertransport über große Entfernungen 10,11,12. Die leistungsstärksten Geräte in der Praxis haben jedoch eine Ladungsträgermobilität von bis zu 55 cm^{erreicht 2 V-1 s-1}, was bereits eine beeindruckende Leistung ist, aber zeigt, dass es noch viel Raum für Verbesserungen gibt¹³.

Die zunehmende Leistungsfähigkeit von PeFETs in den letzten Jahren wurde durch die Optimierung der Bauelementarchitektur, der Schnittstelleneigenschaften und der MHP-Zusammensetzung erreicht 13,14,15,16. Darüber hinaus hat die Zugabe einer Vielzahl von Additiven wie SnF₂, SbF₃ oder Pseudohalogeniden vielversprechende Ergebnisse gezeigt 17,18,19,20. Die Kombination der großen Anzahl möglicher Perowskit-Vorläufer mit der zunehmenden Anzahl interessanter Additive führt zu einer sehr hohen Anzahl möglicher Perowskit-Zusammensetzungen. Unter Berücksichtigung der Vielzahl experimenteller Variablen wie Konzentration, Lösungsmittel und Temperatur ist eine Hochdurchsatzmethode bei der Suche nach Hochleistungs-PeFETs unerlässlich.

Wir stellen einen skalierbaren und anpassbaren Herstellungsprozess für Transistorsubstrate vor, der auf der Photolithographie basiert. Die meisten der verwendeten PeFET-Architekturen beruhen auf mindestens einer der Kontaktschichten auf einem Schattenmaskensystem 17,18,19,20,21. Obwohl sie einfach zu verwenden und sehr zeitsparend sind, haben Schattenmasken relativ weiche Kanten und nutzen sich mit der Zeit ab. Darüber hinaus ist das Muster vordefiniert und kann nicht an sich ändernde Anforderungen angepasst werden. Im Gegensatz dazu hat die Photolithographie sehr scharf definierte Muster und Kanten, da der Fotolack direkt auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wird. Bei der maskenlosen Photolithographie kann das Muster bei Bedarf für jede Belichtung geändert werden, was eine Anpassung von Charge zu Charge oder sogar von Substrat zu Substrat ermöglicht. Da die Belichtung einzelner Substrate mühsam und zeitaufwändig ist, wird ein 5 cm x 5 cm großes Glassubstrat als eine Einheit bis zu dem Punkt verarbeitet, an dem alle Elektroden fertig sind, und dann in 25 1 cm x 1 cm große Substrate zerkleinert, wodurch die Herstellungszeit drastisch von 16 h auf 4 h reduziert wird. Es ist auch möglich, ein größeres Glassubstrat zu verwenden, wodurch die Anzahl der Substrate pro Charge erhöht und der Prozess skaliert wird.

Um die Steigerung der Fertigungsgeschwindigkeit zu nutzen, ist es auch unerlässlich, über einen Charakterisierungsprozess zu verfügen, der zuverlässig mit einer großen Anzahl von Geräten arbeiten kann. Wir stellen einen Messaufbau vor, der einen Multiplexer mit selbstgebauten Messplatinen kombiniert, die direkt aus der Steuerungssoftware des Parameteranalysators gesteuert werden können (Abbildung 1). Dieser Aufbau ermöglicht die automatische Messung von 5 Substraten mit jeweils 4 Geräten. Nach der Messung werden die resultierenden Daten automatisch durch ein selbst geschriebenes Skript (Supplementary File 1) ausgewertet, das die wichtigsten Leistungsparameter von PeFETs berechnet und in einem Datenpool speichert, um die Ergebnisse leicht vergleichen und langfristige Trends erkennen zu können.

Die Kombination des schnelleren Herstellungsprozesses mit dem automatisierten Charakterisierungsverfahren ermöglicht einen zuverlässigen, skalierbaren und hochdurchsatzfähigen Prozess, der gleichzeitig flexibel und anpassbar ist, was ihn zu einem starken Werkzeug bei der Suche nach neuen MHP-Zusammensetzungen macht.

Abbildung 1: Experimentelles Schema des vorgestellten Hochdurchsatz-PeFET-Forschungsprozesses. (1) Die Substratherstellung auf einem einzigen großen Substrat. (2) Die Bearbeitung des einzelnen Substrats durch Auftragen des Perowskits. (3) Die automatisierte Messung und Datenanalyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protokoll

Die Einzelheiten zu den Reagenzien und der Ausrüstung, die in dieser Studie verwendet wurden, sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Photolithographie

1. Reinigung des Untergrunds
   1. Nehmen Sie ein 50 mm x 50 mm großes Glassubstrat und beschallen Sie es 10 Minuten lang in Isopropanol (IPA), gefolgt von der Trocknung mit einer Stickstoffpistole. Wiederholen Sie den Vorgang mit Aceton.
   2. Nach dem Trocknen wird das Substrat in ein Niederdruck-Sauerstoffplasma (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W) gelegt.
      HINWEIS: Dieses Verfahren ist das Standardreinigungsverfahren und sollte immer dann wiederholt werden, wenn im folgenden Text steht, dass Substrate gereinigt werden sollen.
2. Gate-Lithographie
   1. Legen Sie das gereinigte Substrat auf einen Spin Coater und pipettieren Sie 600 μl Fotolack auf die Mitte des Substrats. Starten Sie den Schleudercoater (60 s, 4000 U/min, 2000 acc, 3,5 μm).
   2. Den Untergrund zum Vorbelichten auf eine vorgeheizte Herdplatte (60s, 110 °C) geben. Nach dem Abkühlen wird das Substrat zur Belichtung auf das maskenlose Fotolithographiegerät übertragen (15 mW, 75%, 1 x 1).
   3. Legen Sie den vollständig belichteten Untergrund für das Nachbelichten (70 s, 110 °C) auf eine vorgeheizte Herdplatte.
   4. Entwickeln Sie den Fotolack 90 s lang im Entwickler, spülen Sie ihn mit Wasser ab und trocknen Sie ihn mit einer Stickstoffpistole.
3. Gate Cu-Verdampfung
   1. Übertragen Sie das Substrat in ein Niederdruck-Sauerstoffplasma (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W).
   2. Legen Sie das Substrat in eine Verdampfungskammer. Zuerst wird 5 nm Cr verdampft, gefolgt von 50 nm Cu. Nehmen Sie das Substrat aus der Verdampfungskammer, tauchen Sie es in den Entferner und beschallen Sie es 30 min lang bei 50 °C.
4. Atomlagenabscheidung (ALD) von Al₂O₃
   1. Reinigen Sie den Untergrund. Übertragen Sie das Substrat in die ALD-Maschine. Führen Sie das Al₂O_3-Rezept 800 Zyklen lang aus, was zu einer 100-nm-Schicht aus Al₂O₃ führt.
      ANMERKUNG: Ein Zyklus besteht aus einem 35-ms-Trimethylaluminium-Impuls, gefolgt von einem250-ms-H2O-Impuls. Die Kammertemperatur für die ersten 25 Zyklen beträgt 100 °C und für die folgenden 775 Zyklen 200 °C.
5. Source/Drain-Lithographie
   1. Reinigen Sie den Untergrund. Tragen Sie Fotolack auf das Substrat auf, wie in Schritt 1.2 beschrieben.
   2. Richten Sie das Substrat vor der Belichtung mit den Markern der ersten Lithografieschicht in der Fotolithografiemaschine aus. Belichten, nach der Belichtung backen und nach Schritt 1.2 entwickeln.
6. Quelle/Entleerung Au-Verdunstung
   1. Übertragen Sie das Substrat in ein Niederdruck-Sauerstoffplasma (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W). Legen Sie das Substrat in eine Verdampfungskammer. Zuerst verdampfen Sie 5 nm Cr, gefolgt von 50 nm Au.
   2. Nehmen Sie das Substrat aus der Verdampfungskammer, tauchen Sie es in einen Fotolack-und beschallen Sie es 30 Minuten lang bei 50 °C.
7. Würfeln des Substrats
   1. Reinigen Sie den Untergrund. Auftragen von Fotolack mit dem Spin Coater (60 s, 4000 U/min, 2000 acc, 3,5 μm). Legen Sie den Untergrund auf eine Heizplatte (5 min, 110 °C).
   2. Übertragen Sie das Substrat auf die Wafersäge und würfeln Sie es in 10 mm x 10 mm große Substrate. Entfernen Sie den Fotolack, indem Sie ihn 30 Minuten lang bei 50 °C im Entferner beschallen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von 5 cm x 5 cm großen Substraten. Dazu gehören die anschließenden Fotolithografieschritte, gefolgt vom Würfeln auf 1 cm x 1 cm große Substrate (A). Bilder der endgültigen Transistorsubstrate mit 4 Bauelementen mit und ohne Perowskitschicht und eines Kondensatorsubstrats (B). Pro Charge wird ein Kondensatorsubstrat hergestellt, um die Dielektrizitätskonstante der_Al2O_3-Schicht zu messen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Schleuderbeschichtung der Perowskit-Schicht

HINWEIS: Von hier an werden alle folgenden Schritte aufgrund der Luftempfindlichkeit der Perowskitschicht in einer Glovebox durchgeführt.

1. Vorbereitung der Lösung
   1. Bereiten Sie die Vorläuferlösung 1 Tag vor dem Schleudercoating vor.
   2. 150 mg SnI₂ einwiegen und in 1398 μl DMF auflösen. 125 mg CsI einwiegen und in 1203 μl der SnI-2-Lösung auflösen. 15 mg PbI₂ einwiegen und in 1017 μl der CsSnI_3-Lösung auflösen, ergibt sich eine 0,4 M Lösung von Cs(Sn_0,9Pb_0,1)I₃ mit einem Überschuss an Cs im Verhältnis zu Sn + Pb von 1,25:1. 6 mg SnF₂ einwiegen und in 1000 μl DMF auflösen.
   3. Schütteln Sie die vorbereiteten Lösungen bei 60 °C über Nacht.
2. Schleuderbeschichtung
   1. Geben Sie 765 μl der vorbereiteten SnF_2-Lösung zu der 1017 μl Cs(Sn_0,9Pb_0,1)I_3-Lösung unmittelbar vor der Schleuderbeschichtung. Legen Sie das Substrat in den Schleudercoater.
   2. Pipettieren Sie 20 μl der vorbereiteten Vorläuferlösung in die Mitte des Substrats. Starten Sie den Spin Coater (150 s, 4000 U/min, 1000 acc, 40 nm). Glühen Sie die geschleuderten Substrate 5 min lang bei 120 °C.
3. Trennung der Geräte
   1. Auf jedem Substrat befinden sich vier Geräte, die getrennt werden müssen, um eine Kreuzinteraktion zu verhindern. Nehmen Sie ein Wattestäbchen, tauchen Sie es in DMF und nehmen Sie ein Substrat von der Heizplatte.
   2. Zeichnen Sie mit dem Wattestäbchen auf den noch heißen Untergrund um die einzelnen Geräte herum und trennen Sie die Perowskitschicht. Entfernen Sie die Perowskit-Schicht von allen Kontaktpads auf die gleiche Weise.

3. Charakterisierung

1. Hardware-Einrichtung
   1. Legen Sie das Substrat kopfüber in die Messplatine und stellen Sie sicher, dass die Kontaktpads der richtigen Geräte mit den entsprechenden Stiften auf der Messplatine ausgerichtet sind (Abbildung 3).
   2. Verbinden Sie die Messplatine mit dem Multiplexer. Verbinden Sie den Multiplexer über zwei Koaxialkabel, eines für den Gate-Kontakt und eines für die Source/Drain-Kontakte, mit der SMU des Parameteranalysators, die die Quelle mit der SMU und den Drain mit Masse verbinden.
2. Software-Einrichtung
   1. Stellen Sie sicher, dass alle Kabel richtig angeschlossen sind. Schalten Sie den Parameteranalysator ein und starten Sie die Steuerungssoftware als Administrator.
   2. Konfigurieren Sie die Messung, indem Sie festlegen, wie viele Messplatinen an den Multiplexer angeschlossen und mit einem Substrat bestückt werden. Definieren Sie die Namen/Identifikatoren für die Substrate und die Anzahl der Geräte, die charakterisiert werden sollen.
   3. Konfigurieren Sie den Abfluss für alle Messungen als gemeinsame Masse. Konfigurieren Sie für Übertragungsmessungen einen linearen Spannungssweep am Gate im Bereich von 25 V bis -30 V mit einem Spannungsschritt von -0,1 V. Konfigurieren Sie die Quelle als konstante Vorspannung mit 1 V, 10 V bzw. 30 V.
   4. Für die Ausgangsmessungen konfigurieren Sie Spannungsstufen am Gate von -30 V bis 10 V mit einer Schrittweite von 10 V.
   5. Konfigurieren Sie einen linearen Spannungssweep an der Quelle im Bereich von 0 V bis -30 V mit einer Schrittweite von 0,5 V. Bevor Sie mit der Messung beginnen, stellen Sie den Strombereich der Quelle und des Gates auf begrenzt auto mit einem Grenzwert von 1 nA.
3. Messung
   1. Klicken Sie auf der Softwareoberfläche auf Ausführen , und die Messung beginnt. Der Multiplexer schaltet durch die vordefinierten Geräte, und der Parameteranalysator führt die konfigurierten Tests durch.
      HINWEIS: Wenn die Messung abgeschlossen ist, können die Daten direkt in der Steuerungssoftware des Parameteranalysators überprüft und als xlsx-Dateien exportiert werden.
4. Datenexport
   1. Exportieren Sie die Messdaten als xlsx-Dateien. Der Dateiname muss die Chargennummer sowie die Substratnummern und die Source-Drain-Vorspannung für die Transfermessungen enthalten.
      HINWEIS: Wenn z. B. die Substrate 1 bis 5 der ersten Charge gemessen wurden, erhält die Ausgabedatendatei den Namen "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Output.xlsx". Das bedeutet, dass Substrat 1 in der ersten Messplatine, Substrat 2 in der zweiten Messplatine usw. platziert wurde. Die entsprechende Übertragungsdatei erhält den Namen "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Transfer_10V.xlsx", wenn die Übertragung an einer Source-Drain-Vorspannung von 10 V gemessen wurde. Es gibt auch eine Log-Datei im Datei-Explorer, die Informationen darüber enthält, welche Daten zu welchem Gerät gehören.

Abbildung 3: 3D-Modell des Aufbaus der Messplatine. (A) Visualisierung des Platzierens eines Substrats auf der Messplatine. (B) Pin-Array auf der Messplatine mit und ohne geladenes Substrat. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. Datenanalyse

1. Automatisierte Datenanalyse
   1. Übertragen Sie die xlsx-Datendatei und die Protokolldatei auf den gewünschten Computer und legen Sie die Dateien im Ordner "Daten" ab. Führen Sie das Python-Skript Auto_Data_analysis.py (Ergänzende Datei 1) aus.
      HINWEIS: Das Skript fragt nach den Identifikatoren der Substrate und ob mehrere Übertragungsmessungen bei unterschiedlichen Source/Drain-Spannungen durchgeführt wurden. Wenn mehrere Übertragungsmessungen durchgeführt wurden, fragt das Skript nach den Werten der Source/Drain-Spannungen. Nachdem alle notwendigen Informationen eingegeben wurden, durchläuft das Skript die Daten und erstellt einen Ordner mit dem Namen "Plots". Geben Sie den Ordner "Plots" ein, der zwei Ordner enthält, "Short" und "Working". Der Ordner "Short" enthält die Plots von Geräten, die nicht richtig funktionierten, und der Ordner "Working" enthält die Plots der funktionierenden Geräte. Betreten Sie den Ordner "Working", darin befinden sich PNG-Dateien, die nach den entsprechenden Geräten benannt sind und eine Übersicht über alle Ausgabe- und Übertragungsdiagramme sowie die Messkonfiguration und die berechneten Leistungsparameter anzeigen.
2. Datenbestand
   1. Stellen Sie sicher, dass das Python-Skript auch eine Textdatei für jeden Batch und eine kombinierte Textdatei für alle Geräte erstellt, die Metadaten wie experimentelle Variablen und Leistungsparameter enthält und zur Analyse der Daten mit einer separaten Datenanalysesoftware verwendet werden kann.

Ergebnisse

Um die Herstellungsmethode für den Bottom Gate und die Bottom-Contact-Substrate zu validieren und sicherzustellen, dass der gesamte Stack der Architektur nach den nachfolgenden Lithografieschritten und dem Würfeln des großen Glassubstrats ordnungsgemäß funktioniert, durchlaufen alle Geräte eine Qualitätskontrolle. Nach dem Würfeln und vor dem Auftragen der Perowskitschicht werden alle Substrate der Charge in den Messaufbau gelegt. Zwischen den Source- und Drain-Kontakten werden 10 V angelegt und das Gate von -40 V auf 30 V gesweept. Der Testbereich wird entsprechend dem Bereich ausgewählt, der für die PeFETs von Interesse ist, für die die Substrate verwendet werden. Der maximale Strom, der am Torkontakt gemessen wird, wird erfasst und ausgewertet. Jedes Gerät mit einem maximalen ^Gate-Strom von weniger als 1 x 10-7 A gilt unter diesen Testbedingungen als gut. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für eine solche Qualitätskontrolle. Nur 6 der 96 Geräte bestehen die Qualitätskontrolle nicht, wobei 2 der 6 Geräte völlig kurz sind. Die hohe Ausbeute an funktionierenden Geräten zeigt, dass die Gerätearchitektur stabil genug ist, um der Belastung durch das Dicing standzuhalten und sorgt für Zeitersparnis im Vergleich zu einem Prozess, bei dem einzelne Substrate verarbeitet werden.

Abbildung 4: Beispielhaftes Ergebnis einer Qualitätskontrolle am Ende des Substratherstellungsprozesses. Die Matrix zeigt den maximal gemessenen Gate-Strom in Ampere während der Qualitätskontrolle für 24 Substrate einer Charge mit jeweils 4 Geräten. Die grünen Geräte bestehen die Qualitätskontrolle. In diesem Beispiel haben 6 der 96 Geräte die Qualitätskontrolle nicht bestanden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

PeFETs auf Basis eines Cs(Sn_0,9Pb_0,1)I₃ Perowskits wurden mit dem automatisierten Messaufbau hergestellt und gemessen. Im verwendeten Aufbau wurden 5 Messplatinen, mit der Möglichkeit, jeweils 4 PeFETs anzuschließen, an einen Multiplexer angeschlossen, der mit einem Parameteranalysator verbunden war. Ermöglicht die automatisierte Messung von bis zu 20 PeFETs. Die Bauelemente hatten eine Kanallänge von 150 μm und eine Kanalbreite von 1 mm. Sowohl die Gate- als auch die Source-Drain-Kontakte wurden mittels maskenloser Photolithographie hergestellt, was eine präzise Kontrolle über die Größe der Gate-Elektrode ermöglichte. Durch die Minimierung der Anschnitt-Kontaktfläche wird die Überlappung zwischen der Perowskit-Schicht und dem Anschnitt reduziert. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Defekten im dielektrischen Bereich zwischen dem Perowskit und dem Gate, die sonst zu Kurzschlüssen führen könnten. Alle Messungen wurden in einer N_2-gefüllten Glovebox durchgeführt. Mit Hilfe des Datenanalyse-Skripts wird ein schneller Überblick über die Parameter der Geräteschlüssel generiert. Abbildung 5 zeigt einen Screenshot der automatisch generierten Diagramme der Übertragungs- und Ausgabeeigenschaften, wie unten beschrieben. In diesem Beispiel wurden drei verschiedene Source/Drain-Spannungen für die Übertragungscharakteristik (A, B, C) gemessen, um mindestens eine Messung im linearen Bereich und eine Messung im Sättigungsbereich zu erhalten. Das Skript analysiert zunächst die Ausgangscharakteristik und extrapoliert den linearen und den Sättigungsbereich von einer linearen Anpassung auf die Ausgangskurven (1). Der lineare Bereich wird durch den roten Hintergrund und der Sättigungsbereich durch den blauen Hintergrund markiert. Da es mehrere Methoden zur Bestimmung der Schwellenspannung gibt, die bei FETs mit nicht idealen Eigenschaften zu deutlich unterschiedlichen Ergebnissen führen können, bestimmt das Skript die Schwellenspannung auf drei verschiedene Arten. Die erste Schwellenspannung wird aus der Ausgangskennlinie (1) berechnet, indem die Grenze zwischen dem linearen und dem Sättigungsbereich bestimmt wird. Die zweite Schwellenspannung wird extrapoliert, indem die Quadratwurzel des Quell-/Drainstroms gegen die Gate-Spannung (4) aufgetragen und das Sättigungsregime linear angepasst wird. Der Schnittpunkt der linearen Passung mit der x-Achse bestimmt die Schwellenspannung. Analog dazu wird die Schwellenspannung im Sättigungsbereich bestimmt, indem das Diagramm des Quellen-/Drainstroms gegenüber der Gate-Spannung (3) linear angepasst und der Schnittpunkt der x-Achse bestimmt wird. Die Ladungsträgermobilitäten für den Sättigungs- und linearen Bereich werden aus den Steigungen der entsprechenden linearen Anpassungen berechnet. Das letzte Diagramm, das gezeigt wird, ist die Übertragungscharakteristik auf einer logarithmischen Skala (2). In diesem Diagramm wird der Punkt der maximalen Steigung bestimmt, um die unterschwellige Schwingung zu berechnen. Die Diagramme (1) und (3) zeigen auch den entsprechenden Gate-Strom auf einer zweiten y-Achse mit angepasstem Bereich, was es einfach macht, das nicht ideale Verhalten des Gate-Stroms schnell zu erkennen.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, werden alle berechneten Leistungsparameter sowie die Messeinstellungen in einer Tabelle für jede Source/Drain-Spannung gesammelt. Darüber hinaus werden alle linearen Passungen in den Diagrammen angezeigt, so dass eine schnelle Überprüfung möglich ist, ob die Passungen sinnvoll sind. Im Übertragungsdiagramm auf einer logarithmischen Skala für -1 V (A2) hat das Skript beispielsweise eindeutig nicht den tatsächlichen Punkt der maximalen Steigung bestimmt und unterschätzt daher die unterschwellige Schwingung des Geräts. Um den Punkt der maximalen Steigung zu finden, bestimmt das Skript zuerst den verrauschten Teil des Diagramms und schneidet ihn ab. Da der reale Punkt der maximalen Steigung in diesem Fall sehr nahe am verrauschten Teil des Diagramms liegt, schneidet das Skript ihn fälschlicherweise ab, was zeigt, dass eine weitere Verfeinerung des Skripts erforderlich ist. Nichtsdestotrotz gibt das Skript einen schnellen und einfachen Überblick über die Geräteleistung und ermöglicht den Vergleich zwischen verschiedenen Geräten.

Abbildung 5: Automatisch generierte visuelle Übersicht über die Leistungsdaten eines PeFET. Es werden die Daten für drei verschiedene Source/Drain-Spannungen während der Transfermessung angezeigt (A: -1 V, B: -10 V, C: -30 V). Für jede Source/Drain-Spannung werden das Ausgangsdiagramm (1), das Übertragungsdiagramm auf einer logarithmischen Skala (2), das Übertragungsdiagramm auf einer linearen Skala (3) und die Quadratwurzel des Übertragungsdiagramms auf einer linearen Skala (4) angezeigt. Die Diagramme (1) und (3) zeigen zusätzlich den entsprechenden Gate-Strom auf einer sekundären y-Achse mit einem entsprechenden Bereich an. Dies ermöglicht eine einfache Identifizierung von nicht idealem Verhalten im Gate-Strom. Die Tabellen neben den Diagrammen zeigen die extrapolierten und berechneten Leistungsparameter und die Messeinstellungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Neben der visuellen Übersicht, die in Abbildung 5 dargestellt ist, werden die Performance-Parameter zusätzlich in Tabellenform in einer Textdatei gespeichert. In einer solchen Datei werden auch die experimentellen Daten gespeichert. Dies kann verwendet werden, um die Daten in jeder verfügbaren Datenanalysesoftware zu vergleichen, was es einfach macht, Leistungstrends im Laufe der Zeit zu erkennen oder Verbindungen zwischen experimentellen Variablen und Leistungsparametern zu finden.

Ergänzende Datei 1: Python-Skript forAuto_Data_analysis.py. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

Das vorgestellte Hochdurchsatzverfahren zur Herstellung und Charakterisierung von PeFETs bietet einen skalierbaren und flexiblen Ansatz zur Erforschung neuartiger Perowskit-Zusammensetzungen. Durch die Integration der Photolithographie für eine präzise Substratherstellung mit einer automatisierten Messung und Datenanalyse verbessert die Methode die experimentelle Effizienz erheblich^13,14. Einer der wichtigsten Vorteile dieses Ansatzes ist die Möglichkeit, schnell systematisch strukturierte Datensätze zu generieren und zu vergleichen, was bei der Suche nach einer optimierten PeFET-Leistung von entscheidender Bedeutung ist^15,16.

Ein kritischer Schritt bei diesem Verfahren ist die photolithographiebasierte Herstellung von Transistorsubstraten. Im Vergleich zu herkömmlichen Schattenmaskenmethoden bietet die Fotolithographie eine überlegene Musterdefinition und Flexibilität beim Gerätelayout²¹. Dieser Vorteil ist besonders in der Grundlagenforschung relevant, wo geringfügige Änderungen an der Gerätearchitektur zwischen den Chargen oder sogar innerhalb einer einzigen experimentellen Iteration erforderlich sein können. Auch wenn Schattenmaskenmethoden im Vergleich zur Photolithographie im Allgemeinen einfacher und zeitsparender sind, können diese Einschränkungen überwunden werden, indem mit einem großen Substrat begonnen wird, das am Ende gewürfelt wird, wodurch die Anzahl der benötigten Lithographieläufe reduziert und die Herstellungszeit für 24 Substrate um 75 % verkürzt wird. Die Qualitätskontrolle des Substrats nach dem Würfeln validierte die Stabilität der Substrate, um der zusätzlichen Belastung standzuhalten¹³.

Die Integration eines Multiplexers mit kundenspezifischen Messplatinen vereinfacht und beschleunigt den Charakterisierungsprozess und ermöglicht die Bewertung von bis zu 20 Bauelementen mit bis zu 5 verschiedenen Perowskit-Zusammensetzungen in einem einzigen Lauf^13,17.

Schließlich sorgt die automatisierte Datenanalyse für eine effiziente Verarbeitung und Interpretation der Versuchsergebnisse. Durch die systematische Extraktion wichtiger Leistungsparameter wie Ladungsträgermobilität, Schwellenspannung und Unterschwellenschwingung ermöglicht die Methode einen schnellen Vergleich verschiedener Perowskit-Formulierungen und Verarbeitungsbedingungen. Eine Herausforderung liegt jedoch in der Empfindlichkeit des Analyseskripts gegenüber nicht idealem Geräteverhalten. Trotz dieser Einschränkungen bietet die vorgestellte Methodik ein leistungsstarkes und flexibles Werkzeug zur schnellen Erfassung einer Vielzahl von Leistungskennzahlen, die eine systematische Optimierung von Materialien und Verarbeitungsbedingungen mit hoher Effizienz ermöglichen^19,20.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
&Mikro; PG 101	Heidelberg Instruments		Fotolithograph
Aceton	Roth	5025.2
AZ 2026 MIF	Mikrochemikalien	1002026	Entwickler
AZ nLOF 2027	Mikrochemikalien	Artikel-Nr.: 1A002070	Fotolack
Csi	TCI	Nr. C2205
ZMS	Roth	Nr. T921.1
Femto-Plasma	Diener		Niederdruck-Plasma
GEMStarXT	Bestrahlungsstärke		ALD
Isopropanol	Roth	CN09.1
Keithley 4200A-SCS	Tektronix		Parameter-Analysator
LabSpin6	SÜSS MicroTec		Spin-Coater
PbI2	TCI	Nr. L0279
SnF2	Thermo Scientific Chemikalien	AC308600050
SnI2	TCI	Nr. T3449
TechniStrip NI555	Mikrochemikalien	TNI555M5	abheben
Trimethylaluminium	Strem	93-1360