鐵電半導體因其可切換極化、鐵電場調(diào)控以及半導體輸運特性等優(yōu)勢，在鐵電晶體管和非易失性存儲器領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而，制備同時具有強鐵電性和半導體特性的薄膜頗具挑戰(zhàn)。近年來，錫基鈣鈦礦半導體因其 p 型特性和較低的載流子有效質(zhì)量備受關(guān)注，但具有強鐵電性的錫基鈣鈦礦半導體卻鮮有報道。高載流子濃度會屏蔽鐵電極化場，致使鐵電極化減弱甚至消失。因此，探索一種使錫基鈣鈦礦半導體具有鐵電性的新方法，對于實現(xiàn)低功耗器件和存儲器的應用至關(guān)重要。

復旦大學材料科學系的褚君浩院士和李文武研究員團隊提出了一種創(chuàng)新的分子重構(gòu)策略，通過摻雜2-甲基苯并咪唑（MBI），成功將錫基鈣鈦礦半導體薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電半導體薄膜，這一轉(zhuǎn)變源于分子重構(gòu)。重構(gòu)后的鐵電半導體表現(xiàn)出高達23.2 μC/cm²的剩余極化（Pr）。鐵電性的產(chǎn)生源于咪唑分子摻雜后氫鍵的增強，從而導致空間對稱性破缺，使得正負電荷中心不再重合。值得注意的是，基于鈣鈦礦鐵電半導體的晶體管表現(xiàn)出低于67 mV/dec的亞閾值擺幅（SS），進一步證實了引入鐵電性的顯著優(yōu)勢。這一發(fā)現(xiàn)為基于錫基鈣鈦礦的鐵電器件提供了新的材料平臺，也為下一代電子器件的設計和發(fā)展開拓了廣闊前景。相關(guān)研究成果以“Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration”為題，發(fā)表于國際著名學術(shù)期刊《Nature Communications》上。李文武研究員為通訊作者，材料科學系博士生劉昱為第一作者。

圖1 錫基鈣鈦礦薄膜的壓電原子力顯微鏡（PFM）、二次諧波光譜（SHG）和鐵電性能

研究團隊進一步將摻MBI分子的錫基鐵電鈣鈦礦應用于鐵電場效應晶體管（FeFET）中，研發(fā)了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的器件（圖2a）。實驗結(jié)果顯示，原始晶體管的轉(zhuǎn)移曲線呈現(xiàn)出典型的界面缺陷和體缺陷捕獲載流子的特征（圖 2b），反向電流低于正向電流。而摻MBI后的FeFET，由于極化電場的作用，反向電流超過正向電流，展現(xiàn)出顯著的鐵電滯回現(xiàn)象。研究人員還對不同掃描速度、掃描范圍、漏源電壓和不同溫度下的轉(zhuǎn)移曲線進行了測量，發(fā)現(xiàn)掃描窗口基本保持一致，再次證明了滯后現(xiàn)象源于鐵電場效應晶體管（FeFETs）的鐵電性。同時，隨著MBI濃度的增加，器件的亞閾值擺幅（SS）從120 mV/dec降至67 mV/dec，充分表明該材料在低壓操作和低功耗器件方面有著的巨大潛力。

圖2 基于鐵電鈣鈦礦半導體的錫基晶體管的電學表征

本次工作中，基于鐵電鈣鈦礦半導體的錫基晶體管的常溫及變溫電學表征能夠精準完成，Lake Shore CRX-6.5K低溫探針臺發(fā)揮了不可或缺的作用，它與Keysight B1500協(xié)同工作，為實驗數(shù)據(jù)的準確獲取提供了堅實的保障。

CRX-6.5K低溫探針臺主要參數(shù)：

? 溫度范圍8 K ~ 350 K

? 可升級高溫選件至675 K

? 溫度控制穩(wěn)定性±10 mK @ 11 K~350 K

? 最多可配置6個探針臂

? 直流漏電流＜100 fA

? 微波頻率最高至67GHz

? 光纖可用波長覆蓋200 nm~2100 nm

圖3 Lake Shore CRX-6.5K 低溫探針臺

Lake Shore低溫探針臺創(chuàng)新型變溫測量解決方案

在使用半導體參數(shù)分析儀進行變溫測試時，設備與變溫測試結(jié)合困難一直是困擾研究人員的難題。Lake Shore聯(lián)合是德科技和吉時利，推出了自動變溫測量的解決方案，讓變溫半導體參數(shù)測量變得便捷、可靠、高效！

1. 與是德科技（Keysight）B1500A 半導體器件參數(shù)分析儀聯(lián)用

研究人員將是德科技B1500A 半導體參數(shù)分析儀及其EasyExpert?軟件與Lake Shore低溫探針臺的336溫控儀的接口連接，能夠在自動化測量過程中通過編程管理溫度設置。啟動后，軟件會在設定的溫度范圍內(nèi)自動運行各種參數(shù)測量，并與 336 型溫控儀無縫協(xié)作，精確記錄和控制樣品溫度，實現(xiàn)了在寬溫度范圍內(nèi)對早期材料和器件的自動精確表征。

圖4 是德科技B1500半導體參數(shù)分析儀的EasyExpert 軟件與Lake Shore低溫探針臺的336溫控儀聯(lián)用

2. 與吉時利（Keithley）4200-SCS 半導體參數(shù)分析儀聯(lián)用

許多Lake Shore的客戶使用多個單獨的測量儀表和自動化軟件來控制探針臺測量。但我們也注意到，有些客戶正在使用吉時利 4200-SCS 半導體參數(shù)分析儀系統(tǒng)的集成編程接口與Lake Shore的336溫控儀聯(lián)用，并結(jié)合特有的 ZN50R-CVT 探針，可在Lake Shore探針臺中實現(xiàn)變溫測量的自動化運行。用戶可以對系統(tǒng)進行編程，使其按設定的溫度逐步變化，并在一定溫度范圍內(nèi)運行多項測量，無需手動重復進行探針抬起、落針以及多次的溫度重新設定等繁瑣操作。吉時利新發(fā)布的固件中包含了用于Lake Shore 336 型溫控儀（該儀器用于控制探針臺樣品臺溫度）的驅(qū)動程序，進一步優(yōu)化了二者的兼容性。

圖5 吉時利4200半導體參數(shù)分析儀與336溫控儀自動控制兼容界面

3. 自動變溫測試重要配件——ZN50R-CVT適用變溫探針

Lake Shore的 CVT（連續(xù)可變溫度）探針的設計，能夠抵消因熱脹冷縮導致的探針臂移動，確保在整個變溫循環(huán)過程中，探針尖端的著陸位置保持穩(wěn)定。同時，CVT 探針可裝到現(xiàn)有平臺上，通過簡化和優(yōu)化測量流程，以及拓展新的測量應用，提升Lake Shore探針臺的整體功能。

圖6 CVT適用變溫探針實物圖

與標準 ZN50R 探針相比，CVT 探針在變溫測試時無需頻繁重新定位，有效減少了調(diào)整探針位置的時間，降低了測量誤差。

圖7 標準探針和CVT探針比較

除了提高效率和更快獲得結(jié)果外，消除重復接觸定位帶來的差異，還能大幅降低測量誤差。即使是經(jīng)驗豐富、操作熟練的用戶，也無法完全消除每次探針著陸時接觸電阻的變化。使用CVT探針，包括霍爾效應、柵控霍爾效應、電流-電壓（I-V）、反?；魻栃ˋHE）、磁阻（MR）、深能級瞬態(tài)譜（DLTS）、電容-電壓（C-V）、光致發(fā)光和塞貝克效應等測量，都會變得更加輕松便捷。

變溫霍爾效應測試實例對比

下圖展示了 ZN50R-CVT 探針在實際測量中的性能。通過對比 ZN50R - CVT 探針和Lake Shore標準 ZN50R 探針，得出了霍爾遷移率隨溫度的變化關(guān)系。測量是在Lake Shore CPX - VF 垂直磁場探針臺上進行的。在溫度變化期間，ZN50R 探針需要抬起，待溫度穩(wěn)定后再重新放置，這一過程需要操作人員進行 14 次不同的操作干預。而ZN50R-CVT 探針在 20K 時放置在樣品上，在20K 至 300K 的溫度范圍內(nèi)無需操作人員干預。在這兩個實驗中，溫度都是以逐點升溫的模式調(diào)節(jié)的：先改變設定溫度，待溫度穩(wěn)定后再進行測量。

圖8 變溫霍爾效應標準探針和CVT探針操作對比

Lake Shore低溫探針臺憑借其寬溫度范圍、高穩(wěn)定性和多功能配置，為錫基鈣鈦礦鐵電半導體薄膜及其低功耗晶體管研究提供了強有力的支持。自動化變溫測量解決方案和CVT適用變溫探針的引入，進一步提升了實驗的便捷性和準確性。這一創(chuàng)新性進展不僅推動了鈣鈦礦半導體領(lǐng)域的發(fā)展，更為未來低功耗、高效能電子器件的設計提供了新的思路。

參考文獻：

[1]. Liu, Y., Yang, S., Hua, L. et al. Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration. Nat. Commun., (2025).