Umożliwienie wysokoprzepustowych badań perowskitowych FET za pomocą konfigurowalnej zautomatyzowanej stacji pomiarowej FET

Podsumowanie

Protokół ten przedstawia wysokoprzepustowy proces wytwarzania i charakteryzowania cienkowarstwowych tranzystorów polowych z perowskitu. Opisujemy konfigurowalny proces produkcyjny przy użyciu fotolitografii i przedstawiamy zautomatyzowaną procedurę charakteryzacji łączącą multiplekser z niestandardowymi płytkami pomiarowymi i samodzielnie napisanym oprogramowaniem.

Streszczenie

Cienkowarstwowe tranzystory polowe (PeFET) na bazie perowskitu nie osiągnęły jeszcze pełnego potencjału teoretycznego tej obiecującej klasy materiałów. Aby wypełnić tę lukę, konieczne jest opracowanie i optymalizacja nowatorskich kompozycji perowskitów i technik wytwarzania. Biorąc pod uwagę dużą różnorodność potencjalnych związków, a także różnorodność zmiennych wpływających, takich jak stężenie, temperatura i wybór rozpuszczalnika, wysokoprzepustowe podejście badawcze ma kluczowe znaczenie dla efektywnej eksploracji i postępu. Przedstawiamy elastyczny i konfigurowalny proces, który obejmuje zarówno produkcję podłoża, jak i charakterystykę urządzenia. Proces ten jest możliwy i integruje fotolitografię do tworzenia niestandardowych wzorów, zautomatyzowaną stację pomiarową do charakteryzacji FET i zautomatyzowaną analizę danych. Zautomatyzowana stacja pomiarowa oparta jest na multiplekserze, który jest połączony z pięcioma płytkami pomiarowymi. Płytki pomiarowe są skonfigurowane do pomiaru jednego podłoża za pomocą czterech urządzeń każda. Umożliwia automatyczny pomiar 20 urządzeń z maksymalnie 5 różnymi formułami perowskitu. Korzystając ze znormalizowanych procedur testowych, surowe dane są automatycznie analizowane w celu uzyskania charakterystyki przenoszenia i wyjścia PeFET, a także kluczowych parametrów wydajności, takich jak napięcie progowe, wahania podprogowe i ruchliwość efektu pola. Rezultatem jest systematycznie zorganizowana pula danych z łatwo porównywalnymi danymi dla różnych składów perowskitów lub modyfikacji warunków produkcyjnych.

Wprowadzenie

W ciągu ostatnich dwóch dekad nastąpił zdumiewający postęp w dziedzinie urządzeń optoelektronicznych opartych na perowskitach metalohalogenkowych (MHP). Szczególnie udane włączenie do fotowoltaiki i diod elektroluminescencyjnych (LED) doprowadziło do stale rosnącego zainteresowania tą klasą materiałów. Sprawność konwersji energii ogniw słonecznych opartych na MHP gwałtownie wzrosła z 13,9% w 2013 r. do 26,7% w 2024 r. 1,2,3,4,5,6. Diody LED oparte na MHP przekroczyły zewnętrzną wydajność kwantową wynoszącą 20% w szerokim zakresie widma widzialnego, wykorzystując zdolność precyzyjnie przestrajalnej przerwy energetycznej, umożliwiając również dwukolorowe diody LED ^7,8,9. Te imponujące osiągnięcia pokazują możliwości MHP dla urządzeń optoelektronicznych.

Niemniej jednak postęp w dziedzinie cienkowarstwowych tranzystorów polowych (PeFET) opartych na MHP nie osiągnął jeszcze takiego samego sukcesu w rozwoju. Pomimo faktu, że teoretyczne właściwości MHP powinny czynić je obiecującym wyborem dla tranzystorów FET, z teoretyczną ruchliwością nośników ładunku ponad 1000 cm^{2 V-1 s-1} i zrównoważonym transportem nośników dalekiego zasięgu 10,11,12. Jednak najbardziej wydajne urządzenia w świecie rzeczywistym osiągnęły mobilność nośnika ładunku do 55 cm^{2 V-1 s-1}, co już jest imponującym osiągnięciem, ale pokazuje, że wciąż jest wiele miejsca na ulepszenia¹³.

Rosnąca wydajność PeFET w ciągu ostatnich kilku lat została osiągnięta dzięki optymalizacji architektury urządzenia, właściwości interfejsu i składu MHP 13,14,15,16. Co więcej, dodanie różnych dodatków, takich jak SnF₂, SbF 3 lub pseudohalogenki_, wykazało obiecujące wyniki 17,18,19,20. Połączenie dużej liczby możliwych prekursorów perowskitów z rosnącą liczbą interesujących dodatków prowadzi do bardzo dużej liczby możliwych kompozycji perowskitowych. Biorąc pod uwagę różnorodność zmiennych eksperymentalnych, takich jak stężenie, rozpuszczalnik i temperatura, metoda o wysokiej przepustowości jest niezbędna w poszukiwaniu wysokowydajnych PeFET.

Przedstawiamy skalowalny i konfigurowalny proces wytwarzania podłoży tranzystorowych, który opiera się na fotolitografii. Większość stosowanych architektur PeFET opiera się na co najmniej jednej z warstw kontaktowych w systemie masek cieni 17,18,19,20,21. Chociaż są proste w użyciu i bardzo wydajne czasowo, maski cieni mają stosunkowo miękkie krawędzie i zużywają się z czasem. Ponadto wzór jest predefiniowany i nie można go dostosować do zmieniających się wymagań. Z kolei fotolitografia ma bardzo ostro zdefiniowane wzory i krawędzie, ponieważ fotorezystor jest nakładany bezpośrednio na powierzchnię podłoża. Dzięki fotolitografii bezmaskowej wzór można w razie potrzeby zmieniać dla każdej ekspozycji, co umożliwia regulację między partiami, a nawet między substratami. Ponieważ naświetlanie pojedynczych podłoży jest żmudne i czasochłonne, szklane podłoże o wymiarach 5 cm x 5 cm jest przetwarzane jako jedna jednostka aż do momentu, w którym wszystkie elektrody są zakończone, a następnie krojone w kostkę na 25 podłoży o wymiarach 1 cm x 1 cm, co drastycznie skraca czas produkcji z 16 godzin do 4 godzin. Możliwe jest również zastosowanie większego podłoża szklanego, co zwiększy liczbę podłoży w partii i zwiększy skalę procesu.

Aby wykorzystać wzrost szybkości produkcji, niezbędny jest również proces charakteryzacji, który może niezawodnie działać z dużą liczbą urządzeń. Przedstawiamy zestaw pomiarowy, który łączy multiplekser z samodzielnie wykonanymi płytkami pomiarowymi, którymi można sterować bezpośrednio z oprogramowania sterującego analizatora parametrów (rysunek 1). Taka konfiguracja umożliwia automatyczny pomiar 5 podłoży z 4 urządzeniami każdy. Po pomiarze uzyskane dane są automatycznie oceniane przez samodzielnie napisany skrypt (Plik uzupełniający 1), który oblicza kluczowe parametry wydajności PeFET i zapisuje je w puli danych, co ułatwia porównanie wyników i zobaczenie długoterminowych trendów.

Połączenie szybszego procesu wytwarzania z zautomatyzowaną procedurą charakteryzacji umożliwia niezawodny, skalowalny i wysokowydajny proces, który jest również elastyczny i konfigurowalny, co czyni go silnym narzędziem w poszukiwaniu nowych kompozycji MHP.

Rysunek 1: Schemat eksperymentalny przedstawionego procesu badawczego wysokoprzepustowych tranzystorów PeFET. (1) Wytwarzanie substratu na pojedynczym dużym podłożu. (2) Przetwarzanie pojedynczego podłoża poprzez nałożenie perowskitu. (3) Zautomatyzowany pomiar i analiza danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protokół

Szczegółowe informacje na temat odczynników i sprzętu używanego w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. Fotolitografia

1. Czyszczenie podłoża
   1. Weź szklane podłoże o wymiarach 50 mm na 50 mm i poddaj je sonikacji przez 10 minut w izopropanolu (IPA), a następnie wysusz za pomocą pistoletu do azotu. Powtórz z acetonem.
   2. Po wyschnięciu podłoże umieścić w niskociśnieniowej plazmie tlenowej (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W).
      UWAGA: Ta procedura jest standardową procedurą czyszczenia i należy ją powtarzać, gdy w poniższym tekście jest mowa o czystych podłożach.
2. Litografia bram
   1. Oczyszczone podłoże umieścić na powlekarce wirowej i odpipetować 600 μl fotorezystu na środek podłoża. Uruchomić powlekarkę wirową (60 s, 4000 obr./min, 2000 acc, 3,5 μm).
   2. Przenieś podłoże na rozgrzaną płytę grzejną w celu pieczenia przed ekspozycją (60 s, 110 °C). Po ostygnięciu przenieś podłoże do bezmaskowej maszyny fotolitograficznej w celu naświetlenia (15 mW, 75%, 1 x 1).
   3. Umieść całkowicie odsłonięte podłoże na rozgrzanej płycie grzejnej do pieczenia po ekspozycji (70 s, 110 °C).
   4. Rozwiń fotorezystor w wywoływaczu przez 90 s, spłucz wodą i wysusz pistoletem do azotu.
3. Odparowanie bramki Cu
   1. Przenieś substrat do niskociśnieniowej plazmy tlenowej (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W).
   2. Umieść podłoże w komorze parowania. Najpierw odparuj 5 nm Cr, a następnie 50 nm Cu. Wyjąć substrat z komory parowania, zanurzyć go w zmywaczu i poddać sonikacji przez 30 minut w temperaturze 50 °C.
4. Osadzanie warstwy atomowej (ALD) Al₂O₃
   1. Oczyść podłoże. Przenieś podłoże do maszyny ALD. Uruchom przepis Al₂O₃ na 800 cykli, co daje warstwę Al₂O₃ o długości 100 nm.
      UWAGA: Jeden cykl składa się z 35-milimetrowego trimetyloglinu, po którym następuje 250-milimetrowy impuls_H2O. Temperatura w komorze dla pierwszych 25 cykli wynosi 100 °C, a dla kolejnych 775 cykli 200 °C.
5. Litografia źródłowa/odpływowa
   1. Oczyść podłoże. Nałóż fotorezyst na podłoże zgodnie z opisem w kroku 1.2.
   2. Wyrównaj podłoże z markerami z pierwszej warstwy litografii w maszynie do fotolitografii przed naświetleniem. Wystaw naświetlanie, piecz po ekspozycji i rozwijaj zgodnie z krokiem 1.2.
6. Źródło/odpływ Au parowania
   1. Przenieś substrat do niskociśnieniowej plazmy tlenowej (5 min, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W). Umieść podłoże w komorze parowania. Najpierw odparuj 5 nm Cr, a następnie 50 nm Au.
   2. Usunąć podłoże z komory parowania, zanurzyć je w stripperze fotorezystu i poddać sonikacji przez 30 minut w temperaturze 50 °C.
7. Krojenie podłoża w kostkę
   1. Oczyść podłoże. Fotorezystor nakładać za pomocą powlekarki wirowej (60 s, 4000 obr./min, 2000 acc, 3,5 μm). Umieść podłoże na płycie grzejnej (5 min, 110 °C).
   2. Przenieś podłoże do piły do wafli i pokrój je w kostkę na podłoża o wymiarach 10 mm x 10 mm. Usunąć fotorezystor poprzez sonikację przez 30 minut w temperaturze 50 °C w zmywaczu (Rysunek 2).

Rysunek 2: Schematyczne przedstawienie procesu wytwarzania podłoża o wymiarach 5 cm x 5 cm. Obejmuje to kolejne etapy fotolitografii, a następnie krojenie w kostkę na podłoża o wymiarach 1 cm x 1 cm (A). Obrazy końcowych podłoży tranzystorowych zawierających 4 urządzenia z warstwą perowskitu i bez niej oraz podłoża kondensatora (B). Wytwarza się jedno podłoże kondensatora na partię w celu pomiaru stałej dielektrycznej warstwy Al₂O₃ . Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Wirowanie warstwy perowskitu

UWAGA: Od tego momentu wszystkie poniższe kroki są wykonywane w komorze rękawicowej ze względu na wrażliwość warstwy perowskitu na powietrze.

1. Przygotowanie roztworu
   1. Roztwór prekursora należy przygotować na 1 dzień przed wirowaniem.
   2. Odważyć w 150 mg SnI2 i rozpuścić w 1398 μl DMF. Odważyć w 125 mg CsI i rozpuścić w 1203 μl roztworu SnI2. Odważyć 15 mg PbI2 i rozpuścić w 1017 μl roztworu CsSnI3, otrzymując 0,4 M roztwór Cs(Sn_0,9Pb_0,1)I₃ z nadmiarem Cs w stosunku do Sn + Pb wynoszącym 1,25:1. Odważyć 6 mg SnF₂ i rozpuścić w 1000 μl DMF.
   3. Przygotowane roztwory wstrząsnąć przez noc w temperaturze 60 °C.
2. Powłoka wirowa
   1. Dodać 765 μl przygotowanego roztworu SnF₂ do 1017 μl roztworu Cs(Sn_0,9Pb_0,1)I₃ bezpośrednio przed wirowaniem. Umieść podłoże w powlekarce wirowej.
   2. Odpipetować 20 μl przygotowanego roztworu prekursora w środku podłoża. Uruchomić powlekarkę wirową (150 s, 4000 obr./min, 1000 acc, 40 nm). Wyżarzać podłoża powlekane wirowo przez 5 minut w temperaturze 120 °C.
3. Oddzielanie urządzeń
   1. Na każdym podłożu znajdują się cztery urządzenia, które należy rozdzielić, aby zapobiec wzajemnej interakcji. Weź wacik kosmetyczny, zanurz go w DMF i weź podłoże z płyty grzejnej.
   2. Narysuj wacikiem na jeszcze gorącym podłożu wokół pojedynczych urządzeń i oddziel warstwę perowskitu. W ten sam sposób usuń warstwę perowskitu ze wszystkich podkładek stykowych.

3. Charakterystyka

1. Konfiguracja sprzętowa
   1. Umieść podłoże do góry nogami na płytce pomiarowej i upewnij się, że podkładki kontaktowe odpowiednich urządzeń są wyrównane z odpowiednimi stykami na płytce pomiarowej (Rysunek 3).
   2. Połącz płytkę pomiarową z multiplekserem. Podłącz multiplekser do SMU analizatora parametrów za pomocą dwóch kabli koncentrycznych, jednego dla styku bramki i jednego dla styków źródło/dren, które łączą źródło z SMU, a drenaż z masą.
2. Konfiguracja oprogramowania
   1. Upewnij się, że wszystkie kable są podłączone we właściwy sposób. Włącz analizator parametrów i uruchom oprogramowanie sterujące jako administrator.
   2. Skonfiguruj pomiar, określając, ile płytek pomiarowych jest podłączonych do multipleksera i załadowanych podłożem. Zdefiniuj nazwy/identyfikatory dla podłoży i liczbę urządzeń, które mają zostać scharakteryzowane.
   3. Skonfiguruj odpływ dla wszystkich pomiarów jako wspólne uziemienie. W przypadku pomiarów transferowych należy skonfigurować liniowe przemiatanie napięcia na bramce w zakresie od 25 V do -30 V, z krokiem napięcia -0,1 V. Skonfiguruj źródło jako stałe odchylenie odpowiednio 1 V, 10 V i 30 V.
   4. Dla pomiarów wyjściowych należy skonfigurować kroki napięcia na bramce w zakresie od -30 V do 10 V, z krokiem o wielkości 10 V.
   5. Skonfiguruj liniowe przemiatanie napięcia u źródła w zakresie od 0 V do -30 V, z krokiem 0,5 V. Przed rozpoczęciem pomiaru należy ustawić zakres prądu źródła i bramki na ograniczony auto z limitem 1 nA.
3. Pomiar
   1. Naciśnij Uruchom w interfejsie oprogramowania, a pomiar się rozpocznie. Multiplekser przełącza się przez predefiniowane urządzenia, a analizator parametrów przeprowadza skonfigurowane testy.
      UWAGA: Po zakończeniu pomiaru dane można przeglądać bezpośrednio w oprogramowaniu sterującym analizatora parametrów i eksportować jako pliki xlsx.
4. Eksport danych
   1. Eksportuj dane pomiarowe jako pliki xlsx. Nazwa pliku musi zawierać numer partii, a także numery substratów i odchylenie źródło-drenaż dla pomiarów transferu.
      UWAGA: Na przykład, jeśli zmierzono podłoża od 1 do 5 z pierwszej partii, plik danych wyjściowych ma nazwę "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Output.xlsx". Oznacza to, że podłoże 1 zostało umieszczone na pierwszej tablicy pomiarowej, podłoże 2 na drugiej tablicy pomiarowej i tak dalej. Odpowiedni plik danych transmisji nosi nazwę "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Transfer_10V.xlsx", jeśli transfer został zmierzony przy odchyleniu źródło drenu wynoszącym 10 V. W eksploratorze plików znajduje się również plik dziennika, który zawiera informacje o tym, które dane odpowiadają któremu urządzeniu.

Rysunek 3: Model 3D konfiguracji płytki pomiarowej. (A) Wizualizacja umieszczenia podłoża w tablicy pomiarowej. (B) Tablica pinów na płytce pomiarowej z załadowanym podłożem i bez niego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Analiza danych

1. Zautomatyzowana analiza danych
   1. Przenieś plik danych xlsx i plik dziennika na żądany komputer i umieść pliki w folderze "Dane". Uruchom skrypt języka Python Auto_Data_analysis.py (Plik uzupełniający 1).
      UWAGA: Skrypt prosi o identyfikatory podłoży oraz o to, czy wykonano wiele pomiarów transferu przy różnych napięciach źródła/drenu. Jeśli wykonano wiele pomiarów transferu, skrypt prosi o wartości napięć źródła/drenu. Po wprowadzeniu wszystkich niezbędnych informacji skrypt przegląda dane i tworzy folder o nazwie "Wykresy". Wejdź do folderu "Działki", który zawiera dwa foldery, "Krótki" i "Pracujący". Folder "Krótkie" zawiera wykresy urządzeń, które nie działały poprawnie, a folder "Praca" zawiera wykresy pracujących urządzeń. Wejdź do folderu "Robocze", w środku znajdują się pliki PNG, które są nazwane na cześć odpowiednich urządzeń i pokazują przegląd wszystkich wykresów wyjściowych i transferowych, a także konfigurację pomiaru i obliczone parametry wydajności.
2. Pula danych
   1. Upewnij się, że skrypt języka Python tworzy również jeden plik tekstowy dla każdej partii i jeden połączony plik tekstowy dla wszystkich urządzeń, który zawiera metadane, takie jak zmienne eksperymentalne i parametry wydajności, i może być używany do analizowania danych za pomocą dowolnego oddzielnego oprogramowania do analizy danych.

Wyniki

Aby zwalidować metodę produkcji dla dolnej bramki i dolnych podłoży kontaktowych oraz zapewnić, że cały stos architektury działa prawidłowo po kolejnych etapach litografii i krojeniu w kostkę dużego szklanego podłoża, wszystkie urządzenia przechodzą kontrolę jakości. Po pokrojeniu w kostkę, a przed nałożeniem warstwy perowskitu, wszystkie podłoża wsadu umieszcza się w układzie pomiarowym. Pomiędzy stykami źródła i drenu doprowadzane jest napięcie 10 V, a bramka jest przemiatana z -40 V do 30 V. Zakres testowy dobierany jest zgodnie z zakresem zainteresowania dla tranzystorów PeFET, dla których będą stosowane substraty. Maksymalny prąd, który jest mierzony na styku bramki, jest rejestrowany i oceniany. Każde urządzenie o maksymalnym prądzie bramki mniejszym niż 1 x ^10-7 A jest uważane za dobre w tych warunkach testowych. Rysunek 4 przedstawia przykład takiej kontroli jakości. Tylko 6 z 96 urządzeń nie przechodzi kontroli jakości, przy czym 2 z 6 są całkowicie krótkie. Wysoka wydajność działających urządzeń pokazuje, że architektura urządzenia jest wystarczająco stabilna, aby wytrzymać naprężenia związane z krojeniem w kostkę i zapewnia oszczędność czasu w porównaniu z procesem, podczas którego przetwarzane są pojedyncze substraty.

Rysunek 4: Przykładowy wynik kontroli jakości na końcu procesu wytwarzania podłoża .Matryca pokazuje maksymalny zmierzony prąd bramki w amperach podczas kontroli jakości dla 24 podłoży jednej partii, z 4 urządzeniami każdy. Zielone urządzenia przechodzą kontrolę jakości. W tym przykładzie 6 z 96 urządzeń nie przeszło kontroli jakości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

PeFET oparte na perowskicie Cs(Sn_0,9Pb_0,1)I₃ zostały wytworzone i zmierzone przy użyciu automatycznego zestawu pomiarowego. W zastosowanej konfiguracji 5 płytek pomiarowych, z możliwością podłączenia 4 PeFETów każda, zostało podłączonych do multipleksera, który był podłączony do analizatora parametrów. Umożliwia automatyczny pomiar do 20 PeFET. Urządzenia miały długość kanału 150 μm i szerokość kanału 1 mm. Zarówno styki bramki, jak i źródło dren zostały wykonane przy użyciu fotolitografii bezmaskowej, co pozwoliło na precyzyjną kontrolę nad rozmiarem elektrody bramki. Minimalizując powierzchnię styku bramki, zmniejsza się nakładanie się warstwy perowskitu na bramkę. Zmniejsza to prawdopodobieństwo wystąpienia defektów w obszarze dielektrycznym między perowskitem a bramką, co w przeciwnym razie mogłoby prowadzić do zwarć. Wszystkie pomiary zostały przeprowadzone w komorze rękawicowej wypełnionej N₂. Za pomocą skryptu do analizy danych generowany jest szybki przegląd parametrów klucza urządzenia. Rysunek 5 przedstawia zrzut ekranu przedstawiający automatycznie wygenerowane wykresy charakterystyk transferu i wyjścia, jak opisano poniżej. W tym przykładzie zmierzono trzy różne napięcia źródła/drenu dla charakterystyki przenoszenia (A, B, C), aby uzyskać co najmniej jeden pomiar w reżimie liniowym i jeden pomiar w reżimie nasycenia. Skrypt najpierw analizuje charakterystykę wyjściową i ekstrapoluje reżimy liniowe i nasycenia z dopasowania liniowego na krzywe wyjściowe (1). Reżim liniowy jest oznaczony czerwonym tłem, a reżim nasycenia niebieskim tłem. Ponieważ istnieje wiele metod określania napięcia progowego, co może prowadzić do znacznie różnych wyników dla tranzystorów FET o nieidealnych właściwościach, skrypt określa napięcie progowe na trzy różne sposoby. Pierwsze napięcie progowe oblicza się na podstawie charakterystyki wyjściowej (1) poprzez wyznaczenie granicy między reżimem liniowym a nasyceniem. Drugie napięcie progowe ekstrapoluje się poprzez wykreślenie pierwiastka kwadratowego prądu źródła/drenu w stosunku do napięcia bramki (4) i liniowe dopasowanie reżimu nasycenia. Przecięcie pasowania liniowego z osią x określa napięcie progowe. Analogicznie, napięcie progowe w reżimie nasycenia wyznacza się poprzez liniowe dopasowanie wykresu prądu źródła/drenu w stosunku do napięcia bramki (3) i wyznaczenie przecięcia osi x. Ruchliwość nośnika ładunku dla reżimu nasycenia i liniowego oblicza się na podstawie nachyleń odpowiednich pasowań liniowych. Ostatni pokazany wykres to charakterystyka przenoszenia w skali logarytmicznej (2). Na tym wykresie określa się punkt maksymalnego nachylenia w celu obliczenia wychylenia podprogowego. Wykresy (1) i (3) pokazują również odpowiedni prąd bramki na drugiej osi y z dostosowanym zakresem, co ułatwia szybkie dostrzeżenie nieidealnego zachowania prądu bramki.

Jak pokazano na rysunku 5, wszystkie obliczone parametry wydajności, jak również ustawienia pomiaru, są zebrane w tabeli dla każdego napięcia źródła/drenu. Ponadto wszystkie pasowania liniowe są pokazane na wykresach, co pozwala na szybkie sprawdzenie, czy pasowania są sensowne. Na przykład na wykresie transferu w skali logarytmicznej dla -1 V (A2) skrypt wyraźnie nie określił rzeczywistego punktu maksymalnego nachylenia i dlatego nie docenia podprogowego wychylenia urządzenia. Aby znaleźć punkt maksymalnego nachylenia, skrypt najpierw określa i odcina hałaśliwą część działki. Ponieważ rzeczywisty punkt maksymalnego nachylenia w tym przypadku znajduje się bardzo blisko hałaśliwej części fabuły, scenariusz fałszywie go ucina, pokazując, że konieczne jest dalsze dopracowanie scenariusza. Niemniej jednak skrypt daje szybki i łatwy przegląd wydajności urządzenia i umożliwia porównanie różnych urządzeń.

Rysunek 5: Automatycznie generowany wizualny przegląd danych dotyczących wydajności tranzystora PeFET. Podczas pomiaru transferu wyświetlane są dane dla trzech różnych napięć źródła/drenu (A: -1 V, B: -10 V, C: -30 V). Dla każdego napięcia źródła/drenu pokazany jest wykres wyjściowy (1), wykres transferu w skali logarytmicznej (2), wykres transferu w skali liniowej (3) oraz pierwiastek kwadratowy z wykresu transferu w skali liniowej (4). Wykresy (1) i (3) dodatkowo wyświetlają odpowiedni prąd bramki na wtórnej osi y z odpowiednim zakresem. Pozwala to na prostą identyfikację nieidealnego zachowania prądu bramki. Tabele obok wykresów zawierają ekstrapolowane i obliczone parametry wydajności oraz ustawienia pomiaru. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Oprócz wizualnego przeglądu, który jest pokazany na rysunku 5, parametry wydajności są dodatkowo przechowywane w formie tabeli w pliku tekstowym. W takim pliku przechowywane są również dane eksperymentalne. Można to wykorzystać do porównania danych w dowolnym dostępnym oprogramowaniu do analizy danych, co ułatwia obserwowanie trendów wydajności w czasie lub znajdowanie powiązań między zmiennymi eksperymentalnymi a parametrami wydajności.

Plik uzupełniający 1: Skrypt Pythona forAuto_Data_analysis.py. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Zaprezentowany wysokoprzepustowy proces wytwarzania i charakteryzacji PeFET zapewnia skalowalne i elastyczne podejście do badania nowych kompozycji perowskitów. Łącząc fotolitografię do precyzyjnego wytwarzania podłoża ze zautomatyzowanym pomiarem i analizą danych, metoda ta znacznie zwiększa wydajność eksperymentu^13,14. Jedną z kluczowych zalet tego podejścia jest możliwość szybkiego generowania i porównywania systematycznie ustrukturyzowanych zbiorów danych, co ma kluczowe znaczenie w poszukiwaniu zoptymalizowanej wydajności PeFET^15,16.

Kluczowym krokiem w tej metodzie jest wytwarzanie podłoży tranzystorowych w oparciu o fotolitografię. W porównaniu z tradycyjnymi metodami maskowania cieni, fotolitografia oferuje lepszą definicję wzoru i elastyczność w układzie urządzenia²¹. Ta zaleta jest szczególnie istotna w badaniach podstawowych, gdzie mogą być wymagane drobne modyfikacje architektury urządzenia między partiami lub nawet w ramach jednej iteracji eksperymentalnej. Mimo że metody maskowania cieni są na ogół prostsze i bardziej efektywne czasowo w porównaniu z fotolitografią, ograniczenia te można pokonać, zaczynając od dużego podłoża, które na końcu zostaje pokrojone w kostkę, zmniejszając liczbę potrzebnych serii litografii i skracając czas produkcji o 75% w przypadku 24 podłoży. Kontrola jakości podłoża po pokrojeniu w kostkę potwierdziła stabilność podłoży pod kątem wytrzymania dodatkowego obciążenia¹³.

Integracja multipleksera z niestandardowymi płytkami pomiarowymi upraszcza i przyspiesza proces charakteryzacji, umożliwiając ocenę do 20 urządzeń z maksymalnie 5 różnymi składami perowskitów w jednym przebiegu^13,17.

Wreszcie, zautomatyzowana analiza danych zapewnia wydajne przetwarzanie i interpretację wyników eksperymentalnych. Dzięki systematycznemu wyodrębnianiu kluczowych parametrów wydajności, takich jak ruchliwość nośnika ładunku, napięcie progowe i wahania podprogowe, metoda umożliwia szybkie porównanie różnych formuł perowskitów i warunków przetwarzania. Jednym z wyzwań jest jednak wrażliwość skryptu analizy na nieidealne zachowania urządzeń. Pomimo tych ograniczeń, przedstawiona metodologia stanowi potężne i elastyczne narzędzie do szybkiego gromadzenia szerokiego zakresu wskaźników wydajności, ułatwiając systematyczną optymalizację materiałów i warunków przetwarzania z wysoką wydajnością^19,20.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
&mikro; STRONA 101	Instrumenty z Heidelbergu		fotolitograf
Aceton	Roth	5025.2
AZ 2026 MIF	Mikrochemikalia	1002026	wywoływacz
AZ nLOF 2027	Mikrochemikalia	Numer katalogowy 1A002070	fotorezystor
Csi	TCI (Certyfikat TCI)	Zobacz materiał C2205
Płyta DMF	Roth	T921.1
Plazma femto	Diener		plazma niskociśnieniowa
GEMStarXT	Napromienienie		ALD
Izopropanol	Roth	CN09.1
Keithley 4200A-SCS	Tektronix		Analizator parametrów
Laboratorium Spin6 powiedział:	SUSS MicroTec		Powlekarka wirowa
PbI2 powiedział:	TCI (Certyfikat TCI)	L0279
SnF2 powiedział:	Chemikalia Thermo Scientific	AC308600050
SnI2 powiedział:	TCI (Certyfikat TCI)	Zobacz materiał T3449 TGL
TechniStrip NI555	Mikrochemikalia	TNI555M5	wzbić się w powietrze
Trimetyloglin	Strem	93-1360