近日，韩国延世大学Kim等人提出一种简单、低温、可溶液加工且可扩展的策略，通过调整和利用Sn基钙钛矿的氧化现象来制造高性能增强型JFETs。通过形成p型PEA₂SnI₄和n型IGZO之间的PN结，利用Sn基钙钛矿的氧化表面层有效抑制栅极漏电流，实现增强型操作模式，这种结构被称为阻挡型JFET(b-JFET)。该b-JFET拥有优异的电气性能，包括29.4 cm²/Vs的场效应迁移率、67.1 mV/dec低SS以及在≤1V操作电压下超过10⁵的开关电流比。此外，尽管其包含通常不稳定的Sn钙钛矿层，该器件在环境空气中仍展现出强大的环境、偏置和操作稳定性。该研究成果以题为“Revisiting the role of oxidation in stable and high-performance lead-free perovskite-IGZO junction field-effect transistors” 发表于Nature Communications期刊。
技术亮点：
Ø氧化层的利用：Sn基钙钛矿氧化表面层可以被用来提高晶体管性能，而不是完全抑制这种氧化;
Ø 阻挡层的形成：通过控制Sn基钙钛矿的氧化过程，形成“阻挡层”，有效抑制栅极漏电流，实现增强型操作模式;
Ø高性能JFETs：该b-JFET实现优异电气性能，包括29.4 cm²/Vs的场效应迁移率、67.1 mV/dec低SS以及在≤1V操作电压下超过10⁵的开关电流比;
Ø环境稳定性：尽管其包含通常不稳定的Sn钙钛矿层，该器件在环境空气中展现出强大的环境、偏置和操作稳定性;
Ø 逻辑电路的构建：通过构建逻辑电路并实现高反相增益值，进一步证实该器件在各种实际应用中的潜力。
研究意义：
该工作提出基于Sn基钙钛矿氧化的b-JFET为高性能、低功耗的电子设备提供了一种新的解决方案。该器件在环境空气中展现出强大的稳定性，并成功构建了逻辑电路。与传统的基于晶体管的电路相比，该架构在面积、延迟和能耗方面实现显著的改进，为边缘计算中的空间-时间信息感知提供新的可能性。
图文分析：
钙钛矿b-JFET工作机理
图1 钙钛矿双极结型场效应晶体管(b-JFET)的工作机制。a,b 基于PEA2SnI4/IGZO异质结的钙钛矿b-JFET结构示意图及工作原理图示;c,d 器件内部电子流动示意图以及氧化处理前后钙钛矿b-JFET的对应能带图。
钙钛矿b-JFET电气性能
图2. a 四英寸晶圆级钙钛矿b-JFET阵列的光学图像(比例尺1厘米);b 优化后器件的转移特性曲线;c 优化后器件的输出特性曲线;d 亚阈值摆幅、阈值电压和有效场效应迁移率分布的二维彩色映射图;e 优化后器件的空气稳定性测试结果;f 钙钛矿b-JFET的工作稳定性测量数据。
氧化层表征
图3. a Pe0 和 Pe120 的 XPS 深度分析图谱;b, c 从 Sn 3d XPS 谱峰反卷积计算得到的 Pe0 和 Pe120 中 Sn⁴⁺ 与 Sn²⁺ 的比例，以及 Pe0 和 Pe120 的 O 面积;d PEA₂SnI₄氧化时的化学反应示意图;e 不同退火时间的PEA₂SnI₄薄膜的 UPS 和 IPES 分析结果;f 不同退火时间的PEA₂SnI₄薄膜的表面和体相能带图。
TCAD模拟
图4 . a 不同退火时间钙钛矿双极结型场效应晶体管(b-JFET)的实验与仿真转移特性曲线;b Pe0基与c Pe120基钙钛矿b-JFET在不同栅源电压(VGS)下的能带图;d Pe0基与e Pe120基钙钛矿b-JFET在VGS为−1V(左图)和1V(右图)时的二维电流密度分布TCAD仿真图。
逻辑门电路
图5. a NOT门的光学显微图像及对应电路图(比例尺=500μm);b NOT门在不同VDD下的电压传输特性与c增益特性;d,e NAND门与NOR门在VDD=1V时的光学显微图像及电路图(比例尺=500μm);f NAND门和NOR门在四种逻辑组合(0,0)、(1,0)、(0,1)、(1,1)下的输出电压对应关系。。
实验细节
通过低温溶液加工方法制备高性能增强型结型场效应晶体管(b-JFET)。首先，对Si/SiO₂(300nm)衬底进行清洗后，通过射频磁控溅射沉积30nm厚的ITO层，并在空气中600°C下退火30分钟。随后，在ITO层上通过射频磁控溅射沉积10nm厚的IGZO层，并在450°C下退火5分钟，接着通过光刻和化学蚀刻对IGZO层进行图案化。接着，通过化学气相沉积(CVD)在IGZO层上沉积2.5μm厚的Parylene-c层，并进行光刻和反应离子刻蚀以形成硬掩模。之后，将PEA₂SnI₄前驱体溶液旋涂在Parylene-c层上，并在100°C下退火10分钟。通过机械剥离去除Parylene-c层后，将PEA₂SnI₄层暴露在60°C、约40%相对湿度的空气中进行120分钟的热处理，形成氧化表面层。最后，通过热蒸发在钙钛矿层上沉积40nm厚的金层作为电极，并通过CVD在器件上沉积1μm厚的Parylene-c层进行封装。
文献来源：
Kim S, Kim S H, Hwang H U, et al. Revisiting the role of oxidation in stable and high-performance lead-free perovskite-IGZO junction field-effect transistors. Nature Communications(2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62770-2.
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