Özelleştirilebilir Otomatik FET Ölçüm İstasyonu ile Yüksek Verimli Perovskit FET Araştırmasını Etkinleştirme

Özet

Bu protokol, perovskit ince film alan etkili transistörlerin üretimi ve karakterizasyonu için yüksek verimli bir süreç sunar. Fotolitografi kullanarak özelleştirilebilir bir üretim sürecini tanımlıyoruz ve bir çoklayıcıyı özel ölçüm panoları ve kendi yazdığı yazılımla birleştiren otomatik bir karakterizasyon prosedürü sunuyoruz.

Özet

Perovskit bazlı ince film alan etkili transistörler (PeFET'ler), bu gelecek vaat eden malzeme sınıfının teorik potansiyelinin tamamına henüz ulaşamadı. Bu boşluğu kapatmak için yeni perovskit bileşimleri ve üretim teknikleri geliştirmek ve optimize etmek önemlidir. Çok çeşitli potansiyel bileşiklerin yanı sıra konsantrasyon, sıcaklık ve çözücü seçimi gibi etkileyen değişkenlerin çeşitliliği göz önüne alındığında, yüksek verimli bir araştırma yaklaşımı, verimli keşif ve ilerleme için kritik öneme sahiptir. Alt tabaka imalatından cihaz karakterizasyonuna kadar uzanan esnek ve özelleştirilebilir bir süreç sunuyoruz. Bu süreç, özel desenleme için fotolitografi, FET karakterizasyonu için otomatik bir ölçüm istasyonu ve otomatik veri analizi tarafından etkinleştirilir ve entegre edilir. Otomatik ölçüm istasyonu, beş ölçüm panosuna bağlı bir çoklayıcıya dayanmaktadır. Ölçüm panoları, her biri dört cihazla bir alt tabakayı ölçecek şekilde yapılandırılmıştır. 5 adede kadar farklı perovskit formülasyonuna sahip 20 cihazın otomatik ölçümüne izin verir. Standartlaştırılmış test prosedürleri kullanılarak, PeFET'lerin aktarım ve çıkış özelliklerinin yanı sıra eşik voltajı, eşik altı salınım ve alan etkisi hareketliliği gibi temel performans parametrelerini elde etmek için ham veriler otomatik olarak analiz edilir. Sonuç, farklı perovskit bileşimleri veya üretim koşullarındaki modifikasyonlar için kolayca karşılaştırılabilir veriler içeren, sistematik olarak organize edilmiş bir veri havuzudur.

Giriş

Metal halojenür perovskit (MHP) bazlı optoelektronik cihazlar alanı, son yirmi yılda şaşırtıcı bir ilerleme kaydetti. Özellikle fotovoltaiklere ve ışık yayan diyotlara (LED'ler) başarılı bir şekilde dahil edilmesi, bu malzeme sınıfına olan ilginin giderek artmasına neden olmuştur. MHP tabanlı güneş pillerinin güç dönüşüm verimliliği 2013'te ,9'dan 2024'te &,7'ye hızla yükseldi 1,2,3,4,5,6. MHP tabanlı LED'ler, ince ayarlanabilir bant aralığı yeteneğinden yararlanarak, görünür spektrumun geniş bir aralığında 'lik harici kuantum verimliliğini aşmış ve aynı zamanda çift renkli LED'leri ^7,8,9 mümkün kılmıştır. Bu etkileyici gelişmeler, MHP'lerin optoelektronik cihazlara yönelik yeteneklerini göstermektedir.

Bununla birlikte, MHP tabanlı ince film alan etkili transistörler (PeFET'ler) alanındaki ilerleme, geliştirmede henüz aynı başarıyı görmedi. MHP'lerin teorik özelliklerinin, 1000^{cm2 V-1 s-1'in} üzerinde teorik yük taşıyıcı hareketlilikleri ve uzun menzilli dengeli taşıyıcı taşıma 10,11,12 ile onları FET'ler için umut verici bir seçim haline getirmesi gerektiği gerçeğine rağmen. Bununla birlikte, en yüksek performanslı gerçek dünya cihazları, 55^{cm2 V-1 s-1'e} kadar şarj taşıyıcı hareketliliklerine ulaşmıştır, bu zaten etkileyici bir başarıdır, ancak iyileştirme için hala çok yer olduğunu göstermektedir¹³.

PeFET'lerin son birkaç yılda artan performansı, cihaz mimarisinin, arayüz özelliklerinin ve MHP bileşiminin ^13,14,15,16 optimize edilmesiyle elde edildi. Ayrıca, SnF₂ , SbF₃ veya psödohalojenürler gibi çeşitli katkı maddelerinin eklenmesi umut verici sonuçlar göstermiştir 17,18,19,20. Çok sayıda olası perovskit öncüsünün artan sayıda ilginç katkı maddesi ile kombinasyonu, çok yüksek sayıda olası perovskit bileşimine yol açar. Konsantrasyon, çözücü ve sıcaklık gibi çeşitli deneysel değişkenler dikkate alındığında, yüksek performanslı PeFET'lerin araştırılmasında yüksek verimli bir yöntem esastır.

Transistör substratları için fotolitografiye dayalı ölçeklenebilir ve özelleştirilebilir bir üretim süreci sunuyoruz. Kullanılan PeFET mimarilerinin çoğu, bir gölge maske sistemi ^{17,18,19,20,21} üzerindeki temas katmanlarından en az birine dayanır. Kullanımı basit ve zaman açısından çok verimli olmasına rağmen, gölge maskeleri nispeten yumuşak kenarlara sahiptir ve zamanla yıpranır. Ayrıca, model önceden tanımlanmıştır ve değişen gereksinimlere uyarlanamaz. Fotolitografi, aksine, fotorezist doğrudan alt tabakanın yüzeyine uygulandığı için çok keskin bir şekilde tanımlanmış desenlere ve kenarlara sahiptir. Maskesiz fotolitografi ile, gerekirse her pozlama için desen değiştirilebilir, böylece partiden partiye ve hatta alt tabakadan alt tabakaya ayarlamalar yapılabilir. Tek alt tabakaların maruz bırakılması sıkıcı ve zaman alıcı olduğundan, 5 cm x 5 cm'lik bir cam alt tabaka, tüm elektrotların bittiği noktaya kadar tek bir birim olarak işlenir ve daha sonra 25 1 cm x 1 cm'lik alt tabakalara dilimlenir ve üretim süresini 16 saatten 4 saate büyük ölçüde azaltır. Parti başına alt tabaka sayısını artıracak ve süreci büyütecek daha büyük bir cam alt tabaka kullanmak da mümkündür.

Üretim hızındaki artıştan yararlanmak için, çok sayıda cihazla güvenilir bir şekilde çalışabilen bir karakterizasyon sürecine sahip olmak da önemlidir. Bir çoklayıcıyı doğrudan parametre analizörünün kontrol yazılımından kontrol edilebilen kendi kendine yapılan ölçüm panolarıyla birleştiren bir ölçüm kurulumu sunuyoruz (Şekil 1). Bu kurulum, her biri 4 cihazla 5 alt tabakanın otomatik olarak ölçülmesini sağlar. Ölçümden sonra ortaya çıkan veriler, PeFET'lerin temel performans parametrelerini hesaplayan ve bunları bir veri havuzuna kaydeden, sonuçları karşılaştırmayı ve uzun vadeli eğilimleri görmeyi kolaylaştıran, kendi kendine yazılan bir komut dosyası (Ek Dosya 1) tarafından otomatik olarak değerlendirilir.

Daha hızlı üretim sürecini otomatik karakterizasyon prosedürüyle birleştirmek, aynı zamanda esnek ve özelleştirilebilir olan güvenilir, ölçeklenebilir ve yüksek verimli bir süreç sağlar ve bu da onu yeni MHP bileşimleri arayışında güçlü bir araç haline getirir.

Şekil 1: Sunulan yüksek verimli PeFET araştırma sürecinin deneysel şeması. (1) Tek bir büyük substrat üzerinde substrat imalatı. (2) Perovskit uygulanarak tek alt tabakanın işlenmesi. (3) Otomatik ölçüm ve veri analizi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protokol

Bu çalışmada kullanılan reaktiflerin ve ekipmanın detayları Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. Fotolitografi

1. Yüzey temizliği
   1. 50 mm x 50 mm'lik bir cam substrat alın ve İzopropanol (IPA) içinde 10 dakika sonikasyon yapın, ardından bir nitrojen tabancası ile kurutun. Aseton ile tekrarlayın.
   2. Kuruduktan sonra, alt tabakayı düşük basınçlı bir oksijen plazmasına (5 dakika, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W) yerleştirin.
      NOT: Bu prosedür standart temizleme prosedürüdür ve aşağıdaki metinde temiz yüzeyler yazdığında tekrarlanması amaçlanmıştır.
2. Kapı litografisi
   1. Temizlenmiş alt tabakayı bir döner kaplayıcı üzerine yerleştirin ve alt tabakanın ortasına 600 μL fotorezist pipet uygulayın. Sıkma kaplayıcıyı çalıştırın (60 sn, 4000 rpm, 2000 acc, 3,5 μm).
   2. Ön pozlama pişirme için alt tabakayı önceden ısıtılmış bir sıcak plakaya aktarın (60s, 110 °C). Soğuduktan sonra, alt tabakayı pozlama için maskesiz fotolitografi makinesine aktarın (15 mW, u, 1 x 1).
   3. Tamamen açıkta kalan alt tabakayı, pozlama sonrası pişirme için önceden ısıtılmış bir sıcak plakaya yerleştirin (70 s, 110 °C).
   4. Fotorezisti geliştiricide 90 saniye geliştirin, suyla durulayın ve bir nitrojen tabancasıyla kurulayın.
3. Kapı Cu buharlaştırma
   1. Substratı düşük basınçlı bir oksijen plazmasına aktarın (5 dakika, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W).
   2. Alt tabakayı bir buharlaştırma odasına yerleştirin. İlk olarak, 5 nm Cr'yi, ardından 50 nm Cu'yu buharlaştırın. Alt tabakayı buharlaştırma odasından çıkarın, sökücüye daldırın ve 50 ° C'de 30 dakika sonikasyon yapın.
4. Al₂O_3'ün atomik katman birikimi (ALD)
   1. Alt tabakayı temizleyin. Alt tabakayı ALD makinesine aktarın. Al₂O₃ tarifini 800 döngü için çalıştırın, 100 nm'lik bir Al₂O₃ tabakası elde edin.
      NOT: Bir döngü, 35 ms'lik bir trimetilalüminyumdan ve ardından 250 ms'lik bir_H2Odarbesinden oluşur. İlk 25 döngü için oda sıcaklığı 100 °C ve sonraki 775 döngü için 200 °C'dir.
5. Kaynak/drenaj litografisi
   1. Alt tabakayı temizleyin. Adım 1.2'de açıklandığı gibi alt tabakaya fotorezist uygulayın.
   2. Alt tabakayı, pozlamadan önce fotolitografi makinesindeki ilk litografi katmanındaki işaretleyicilerle hizalayın. Adım 1.2'yi izleyerek açığa çıkarın, maruz kalma sonrası pişirin ve geliştirin.
6. Kaynak/drenaj Au buharlaşması
   1. Substratı düşük basınçlı bir oksijen plazmasına aktarın (5 dakika, 20 sccm, 0,35 mbar, 150 W). Alt tabakayı bir buharlaştırma odasına yerleştirin. Önce 5 nm Cr'yi, ardından 50 nm Au'yu buharlaştırın.
   2. Alt tabakayı buharlaştırma odasından çıkarın, fotorezist sıyırıcıya daldırın ve 50 ° C'de 30 dakika sonikasyon yapın.
7. Alt tabakanın doğranması
   1. Alt tabakayı temizleyin. Spin kaplayıcıyı kullanarak fotorezist uygulayın (60 sn, 4000 rpm, 2000 acc, 3,5 μm). Alt tabakayı sıcak bir plakaya (5 dakika, 110 °C) yerleştirin.
   2. Alt tabakayı gofret testereye aktarın ve 10 mm x 10 mm'lik alt tabakalara doğrayın. Sökücüde 50 ° C'de 30 dakika sonikasyon yaparak fotorezisti çıkarın (Şekil 2).

Şekil 2: 5 cm x 5 cm alt tabaka üretim sürecinin şematik gösterimi. Bu, sonraki foto litografi adımlarını ve ardından 1 cm x 1 cm'lik alt tabakalara (A) küp küp doğramayı içerir. Perovskit katmanlı ve perovskit katmanlı olmayan 4 cihaz içeren son transistör alt katmanlarının ve bir kapasitör alt katmanının (B) görüntüleri. Al₂O₃ katmanının dielektrik sabitini ölçmek için parti başına bir kapasitör substratı üretilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Perovskit katmanını döndürerek kaplama

NOT: Bundan sonra, perovskit tabakasının hava hassasiyeti nedeniyle aşağıdaki tüm adımlar bir torpido gözünde gerçekleştirilir.

1. Çözelti hazırlama
   1. Öncü çözeltiyi spin kaplamadan 1 gün önce hazırlayın.
   2. 150 mg SnI₂ tartın ve 1398 μL DMF içinde çözün. 125 mg CsI tartın ve 1203 μL SnI₂ çözeltisi içinde çözün. 15 mg PbI₂ tartın ve 1017 μL CsSnI₃ çözeltisi içinde çözün, 0.4 M'lik bir Cs çözeltisi ile sonuçlanır (Sn_0.9Pb_0.1)I₃ Sn + Pb 1.25:1'e göre fazla Cs ile. 6 mg SnF₂ tartın ve 1000 μL DMF içinde çözün.
   3. Hazırlanan çözeltileri gece boyunca 60 °C'de çalkalayın.
2. Spin kaplama
   1. Hazırlanan SnF₂ çözeltisinden 765 μL ekleyin2 1017 μL Cs(Sn_0.9Pb_0.1)I₃ çözeltisine döndürme kaplamadan hemen önce. Alt tabakayı döner kaplayıcıya yerleştirin.
   2. Substratın ortasına hazırlanan öncü çözeltiden 20 μL pipetleyin. Sıkma kaplayıcıyı çalıştırın (150 sn, 4000 rpm, 1000 acc, 40 nm). Döndürme kaplanmış alt tabakaları 120 °C'de 5 dakika tavlayın.
3. Cihazları ayırma
   1. Her alt tabakada, çapraz etkileşimi önlemek için ayrılması gereken dört cihaz bulunur. Bir pamuk çubuk alın, DMF'ye batırın ve sıcak plakanın bir alt tabakasını alın.
   2. Tekli cihazların etrafındaki hala sıcak olan alt tabakaya pamuklu çubukla çizin ve perovskit tabakasını ayırın. Perovskit tabakasını tüm temas yüzeylerinden aynı şekilde çıkarın.

3. Karakterizasyon

1. Donanım kurulumu
   1. Alt tabakayı ölçüm panosuna baş aşağı yerleştirin ve doğru cihazların temas yüzeylerinin ölçüm panosundaki karşılık gelen pimlerle hizalandığından emin olun (Şekil 3).
   2. Ölçüm kartını çoklayıcıya bağlayın. Çoklayıcıyı, biri kapı kontağı ve diğeri kaynağı SMU'ya ve drenajı toprağa bağlayan kaynak/drenaj kontakları için olmak üzere iki koaksiyel kablo aracılığıyla parametre analizörünün SMU'suna bağlayın.
2. Yazılım kurulumu
   1. Tüm kabloların doğru şekilde bağlandığından emin olun. Parametre analizörünü açın ve kontrol yazılımını yönetici olarak başlatın.
   2. Çoklayıcıya kaç ölçüm kartının bağlı olduğunu ve bir alt tabaka ile yüklendiğini tanımlayarak ölçümü yapılandırın. Alt tabakalar için adları/tanımlayıcıları ve karakterize edilmesi gereken cihaz sayısını tanımlayın.
   3. Tüm ölçümler için tahliyeyi ortak bir zemin olarak yapılandırın. Transfer ölçümleri için, kapıda -25 V voltaj adımıyla 30 V ila -0.1 V arasında değişen bir voltaj doğrusal taraması yapılandırın. Kaynağı sırasıyla 1 V, 10 V ve 30 V ile sabit önyargı olarak yapılandırın.
   4. Çıkış ölçümleri için, kapıda -30 V ile 10 V arasında değişen voltaj adımlarını 10 V adım boyutuyla yapılandırın.
   5. Kaynakta 0 V ile -30 V arasında değişen, 0,5 V adım boyutuyla bir voltaj doğrusal taraması yapılandırın. Ölçüme başlamadan önce, kaynak ve geçit akımı aralığını 1 nA sınırıyla sınırlı otomatik olarak ayarlayın.
3. Ölçüm
   1. Yazılım arayüzünde Çalıştır'a basın, ölçüm başlayacaktır. Çoklayıcı önceden tanımlanmış cihazlar arasında geçiş yapar ve parametre analizörü yapılandırılmış testleri gerçekleştirir.
      NOT: Ölçüm bittiğinde, veriler doğrudan parametre analizörünün kontrol yazılımında gözden geçirilebilir ve xlsx dosyaları olarak dışa aktarılabilir.
4. Veri aktarımı
   1. Ölçüm verilerini xlsx dosyaları olarak dışa aktarın. Dosya adı, parti numarasının yanı sıra alt tabaka numaralarını ve transfer ölçümleri için kaynak-drenaj önyargısını içermelidir.
      NOT: Örneğin, ilk partinin 1 ila 5 arasındaki alt tabakaları ölçüldüyse, çıktı veri dosyası "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Output.xlsx" olarak adlandırılır. Bu, alt tabaka 1'in birinci ölçüm panosuna, alt tabaka 2'nin ikinci ölçüm panosuna vb. yerleştirildiği anlamına gelir. Karşılık gelen transfer veri dosyası, transfer 10 V'luk bir kaynak-boşaltma önyargısında ölçüldüyse, "Batch1_S1_S2_S3_S4_S5_Transfer_10V.xlsx" olarak adlandırılır. Dosya gezgininde, hangi verilerin hangi cihaza karşılık geldiği hakkında bilgi içeren bir günlük dosyası da vardır.

Şekil 3: Ölçüm panosu kurulumunun 3 boyutlu modeli. (A) Ölçüm panosuna bir alt tabaka yerleştirmenin görselleştirilmesi. (B) Yüklü bir alt tabaka olan ve olmayan ölçüm panosundaki pin dizisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

4. Veri analizi

1. Otomatik veri analizi
   1. Xlsx veri dosyasını ve günlük dosyasını istediğiniz bilgisayara aktarın ve dosyaları "Veri" klasörüne yerleştirin. Python betiğini Auto_Data_analysis.py çalıştırın (Ek Dosya 1).
      NOT: Komut dosyası, alt tabakaların tanımlayıcılarını ve farklı kaynak/drenaj voltajlarında birden fazla transfer ölçümünün alınıp alınmadığını sorar. Birden fazla transfer ölçümü alınmışsa, komut dosyası kaynak/boşaltma voltajlarının değerlerini sorar. Gerekli tüm bilgiler girildikten sonra, komut dosyası verileri inceler ve "Grafikler" adlı bir klasör oluşturur. "Kısa" ve "Çalışıyor" olmak üzere iki klasör içeren "Grafikler" klasörüne girin. "Kısa" klasörü, düzgün çalışmayan cihazların grafiklerini içerir ve "Çalışma" klasörü, çalışan cihazların grafiklerini içerir. "Çalışma" klasörüne girin, içinde ilgili cihazların adını taşıyan ve tüm çıktı ve aktarım grafiklerinin yanı sıra ölçüm konfigürasyonu ve hesaplanan performans parametrelerine genel bir bakış gösteren PNG dosyaları bulunur.
2. Veri havuzu
   1. Python betiğinin ayrıca her toplu iş için bir metin dosyası ve tüm cihazlar için deneysel değişkenler ve performans parametreleri gibi meta verileri içeren ve verileri herhangi bir ayrı veri analizi yazılımıyla analiz etmek için kullanılabilen bir birleşik metin dosyası oluşturduğundan emin olun.

Sonuçlar

Alt kapı ve alt temas alt tabakaları için üretim yöntemini doğrulamak ve sonraki litografi adımlarından ve büyük cam alt tabakanın dilimlenmesinden sonra mimarinin tüm yığınının düzgün çalışmasını sağlamak için tüm cihazlar kalite kontrolünden geçer. Küp küp doğradıktan sonra ve perovskit tabakası uygulanmadan önce, partinin tüm alt tabakaları ölçüm düzeneğine yerleştirilir. Kaynak ve drenaj kontakları arasına 10 V uygulanır ve kapı -40 V'tan 30 V'a süpürülür. Test aralığı, substratların kullanılacağı PeFET'lerin ilgi alanına göre seçilir. Kapı kontağında ölçülen maksimum akım kaydedilir ve değerlendirilir. Maksimum kapı akımı 1 x ^10-7 A'dan küçük olan herhangi bir cihaz, bu test koşulları altında iyi kabul edilir. Şekil 4 , bu tür bir kalite kontrolün bir örneğini göstermektedir. 96 cihazdan sadece 6'sı kalite kontrolünden geçemiyor ve 6 cihazdan 2'si tamamen kısa. Çalışan cihazların yüksek verimi, cihaz mimarisinin dilimleme stresine dayanacak kadar kararlı olduğunu ve tek alt tabakaların işlendiği bir işleme kıyasla zaman tasarrufu sağladığını gösterir.

Şekil 4: Alt tabaka üretim sürecinin sonunda yapılan kalite kontrolün örnek sonucu. Matris, her biri 4 cihaz ile bir partinin 24 alt tabakası için kalite kontrol sırasında amper cinsinden ölçülen maksimum kapı akımını gösterir. Yeşil cihazlar kalite kontrolünden geçer. Bu örnekte, 96 cihazdan 6'sı kalite kontrolünden geçememiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Cs(Sn_0.9Pb_0.1)I₃ perovskite dayalı PeFET'ler, otomatik ölçüm kurulumu kullanılarak üretildi ve ölçüldü. Kullanılan kurulumda, her biri 5 PeFET bağlama özelliğine sahip 4 ölçüm panosu, bir parametre analizörüne bağlı olan bir çoklayıcıya bağlandı. 20 PeFET'e kadar otomatik ölçümün sağlanması. Cihazların kanal uzunluğu 150 μm ve kanal genişliği 1 mm idi. Hem kapı hem de kaynak-drenaj kontakları, kapı elektrodunun boyutu üzerinde hassas kontrole olanak tanıyan maskesiz fotolitografi kullanılarak üretildi. Kapı temas alanını en aza indirerek, perovskit tabakası ile kapı arasındaki örtüşme azaltılır. Bu, perovskit ile kapı arasındaki dielektrik bölgede, aksi takdirde kısa devrelere yol açabilecek kusur olasılığını azaltır. Tüm ölçümler N₂ dolu bir torpido gözünde gerçekleştirildi. Veri analizi komut dosyası kullanılarak, cihaz temel parametrelerine hızlı bir genel bakış oluşturulur. Şekil 5 , aşağıda açıklandığı gibi aktarım ve çıktı özelliklerinin otomatik olarak oluşturulan grafiklerinin ekran görüntüsünü gösterir. Bu örnekte, doğrusal rejimde en az bir ölçüm ve doyma rejiminde bir ölçüm elde etmek için transfer karakteristiği (A, B, C) için üç farklı kaynak/drenaj voltajı ölçülmüştür. Komut dosyası önce çıktı karakteristiğini analiz eder ve doğrusal ve doygunluk rejimlerini doğrusal bir uyumdan çıkış eğrilerine (1) tahmin eder. Doğrusal rejim kırmızı arka planla ve doygunluk rejimi mavi arka planla işaretlenir. İdeal olmayan özelliklere sahip FET'ler için önemli ölçüde farklı sonuçlara yol açabilen eşik voltajını belirlemek için birden fazla yöntem olduğundan, komut dosyası eşik voltajını üç farklı şekilde belirler. İlk eşik voltajı, doğrusal ve doyma rejimi arasındaki sınır belirlenerek çıkış karakteristiğinden (1) hesaplanır. İkinci eşik voltajı, kaynak/drenaj akımının karekökü ile kapı voltajı (4) çizilerek ve doyma rejimini doğrusal olarak uydurarak tahmin edilir. Doğrusal uyumun x ekseni ile kesişimi eşik voltajını belirler. Benzer şekilde, doyma rejimindeki eşik voltajı, kaynak/drenaj akımının grafiğinin kapı voltajına (3) doğrusal olarak uydurulması ve x ekseni kesişiminin belirlenmesiyle belirlenir. Doygunluk ve doğrusal rejim için yük taşıyıcı hareketlilikleri, karşılık gelen doğrusal uyumların eğimlerinden hesaplanır. Gösterilen son grafik, logaritmik ölçekte transfer karakteristiğidir (2). Bu çizimde, eşik altı salınımı hesaplamak için maksimum eğim noktası belirlenir. Grafikler (1) ve (3) ayrıca uyarlanmış bir aralığa sahip ikinci bir y ekseninde karşılık gelen kapı akımını gösterir, bu da kapı akımının ideal olmayan davranışını hızlı bir şekilde görmeyi kolaylaştırır.

Şekil 5'te gösterildiği gibi, hesaplanan tüm performans parametreleri ve ölçüm ayarları, her kaynak/drenaj voltajı için bir tabloda toplanır. Ayrıca, tüm doğrusal uyumlar grafiklerde gösterilir ve uyumların mantıklı olup olmadığının hızlı bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Örneğin, -1 V (A2) için logaritmik ölçekte transfer grafiğinde, komut dosyası açıkça maksimum eğimin gerçek noktasını belirlemedi ve bu nedenle cihazın eşik altı salınımını hafife alıyor. Maksimum eğim noktasını bulmak için komut dosyası önce olay örgüsünün gürültülü kısmını belirler ve keser. Bu durumda maksimum eğimin gerçek noktası olay örgüsünün gürültülü kısmına çok yakın olduğundan, senaryo onu yanlış bir şekilde keserek senaryonun daha da iyileştirilmesinin gerekli olduğunu gösterir. Bununla birlikte, komut dosyası, cihaz performansına hızlı ve kolay bir genel bakış sağlar ve farklı cihazlar arasında karşılaştırma yapılmasını sağlar.

Şekil 5: Bir PeFET'in performans verilerine otomatik olarak oluşturulan görsel genel bakış. Transfer ölçümü sırasında üç farklı kaynak/boşaltma gerilimi için veriler gösterilir (A: -1 V, B: -10 V, C: -30 V). Her kaynak/drenaj voltajı için, çıkış grafiği (1), logaritmik ölçekte transfer grafiği (2), doğrusal ölçekte transfer grafiği (3) ve doğrusal ölçekte transfer grafiğinin karekökü (4) gösterilir. Grafikler (1) ve (3) ayrıca uygun bir aralıkta ikincil bir y ekseninde karşılık gelen kapı akımını gösterir. Bu, kapı akımındaki ideal olmayan davranışın doğrudan tanımlanmasına olanak tanır. Grafiklerin yanındaki tablolar, tahmin edilen ve hesaplanan performans parametreleri ve ölçüm ayarlarıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5'te gösterilen görsel genel bakışın yanı sıra, performans parametreleri ayrıca bir metin dosyasında bir tablo biçiminde saklanır. Deneysel veriler de böyle bir dosyada saklanır. Bu, mevcut herhangi bir veri analizi yazılımındaki verileri karşılaştırmak için kullanılabilir, bu da zaman içindeki performans eğilimlerini görmeyi veya deneysel değişkenler ile performans parametreleri arasındaki bağlantıları bulmayı kolaylaştırır.

Ek Dosya 1: Python betiği forAuto_Data_analysis.py. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışma

PeFET'lerin üretimi ve karakterizasyonu için sunulan yüksek verimli süreç, yeni perovskit bileşimlerinin araştırılmasına ölçeklenebilir ve esnek bir yaklaşım sağlar. Hassas substrat üretimi için fotolitografiyi otomatik bir ölçüm ve veri analizi ile entegre eden yöntem, deneysel verimliliği önemli ölçüde artırır^13,14. Bu yaklaşımın en önemli avantajlarından biri, optimize edilmiş PeFET performansı^15,16 arayışında çok önemli olan sistematik olarak yapılandırılmış veri kümelerini hızlı bir şekilde oluşturma ve karşılaştırma yeteneğidir.

Bu yöntemdeki kritik bir adım, transistör substratlarının fotolitografi tabanlı üretimidir. Geleneksel gölge maskesi yöntemleriyle karşılaştırıldığında, fotolitografi üstün desen tanımı ve cihaz düzeninde esneklik sunar²¹. Bu avantaj, özellikle gruplar arasında ve hatta tek bir deneysel yineleme içinde cihaz mimarisinde küçük değişikliklerin gerekli olabileceği temel araştırmalarla ilgilidir. Gölge maskesi yöntemleri, genel olarak, fotolitografi ile ilgili olarak daha basit ve zaman açısından verimli olsa da, bu sınırlamalar, sonunda küp küp doğranan büyük bir alt tabaka ile başlayarak, gereken litografi çalışmalarının sayısını azaltarak ve 24 alt tabaka için üretim süresini %75 oranında azaltarak aşılabilir. Küp küp doğradıktan sonra alt tabakanın kalite kontrolü, alt tabakaların ilave gerilime dayanacak stabilitesini doğruladı¹³.

Bir çoklayıcının özel ölçüm panoları ile entegrasyonu, karakterizasyon sürecini basitleştirir ve hızlandırır, tek bir çalışmada 5 adede kadar farklı perovskit bileşimine sahip 20 adede kadar cihazın değerlendirilmesini sağlar^13,17.

Son olarak, otomatik veri analizi, deneysel sonuçların verimli bir şekilde işlenmesini ve yorumlanmasını sağlar. Yük taşıyıcı hareketliliği, eşik voltajı ve eşik altı salınım gibi temel performans parametrelerini sistematik olarak çıkaran yöntem, farklı perovskit formülasyonlarının ve işleme koşullarının hızlı bir şekilde karşılaştırılmasına olanak tanır. Ancak bir zorluk, analiz komut dosyasının ideal olmayan cihaz davranışlarına duyarlılığında yatmaktadır. Bu sınırlamalara rağmen, sunulan metodoloji, çok çeşitli performans ölçütlerini hızlı bir şekilde toplamak için güçlü ve esnek bir araç sağlayarak, malzemelerin ve işleme koşullarının yüksek verimlilikle sistematik optimizasyonunu kolaylaştırır^19,20.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
&mikro; SAYFA 101	Heidelberg Enstrümanları		fotolitograf
Aseton	Roth	5025.2
AZ 2026 MIF	Mikro Kimyasallar	1002026	geliştirici
AZ NLOF 2027	Mikro Kimyasallar	1A002070 Serisi	fotorezist
Csı	TCI	C2205 (İngilizce)
DMF	Roth	T921.1
Femto plazma	Diener		Düşük Basınçlı Plazma
GEMStarXT	Parlaklık		ALD
İzopropanol	Roth	CN09.1
Keithley 4200A-SCS	Tektronix		Parametre analizörü
Laboratuvar Döndürme6	SUSS Mikro Tec		Spin Kaplayıcı
PbI2	TCI	L0279
SnF2	Thermo Scientific Kimyasallar	AC308600050
SnI2	TCI	T3449 Serisi
Teknik Şerit NI555	Mikro Kimyasallar	TNI555M5	Kalkış
Trimetilalüminyum	Strem	93-1360