利用钙钛矿卤化物(Halide-Perovskite)制作出场效晶体管,这可能在灵活性、低成本、低功耗的光电半导体开创一个新纪元,类似于互补式金属氧化物半导体(CMOS)在弹性的基板上处理光讯号。

    钙钛矿(Perovskite)基材已被拉拢到太阳能光伏效应(PV)的太阳能电池(Solar Cell)产业,这是由于基于钙钛矿材料将轻易制造对抗温室效应的解决方案,加上该材料的转换效率从2009年仅仅3.8%提升到2014年超过20%,因此钙钛矿材料制作而成的太阳能电池,在2016年可望进入商用市场。

    钙钛矿也有很多其他的可调谐半导体特性,如高温超导(High-temperature Superconductivity)、庞大的磁阻、铁电,以及多样化的磁性与光电性能。这让研究人员思考--若是硅太阳能电池可以也被制作成不同的半导体芯片,为何钙钛矿基材不行呢?

    早期研究人员曾尝试从材料制造场效晶体管(FET),然而得到“有限的成功”,这是根据位于北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆的维克森林大学(Wake Forest University)教授Oana Jurchescu的研究结果,Jurchescu教授也声称他的研究小组是第一个成功利用钙钛矿卤化物(Halide-Perovskite)制作出场效晶体管的团队。这可能在灵活性、低成本、低功耗的光电半导体开创一个新纪元,类似于互补式金属氧化物半导体(CMOS)在弹性的基板上处理光讯号。

钙钛矿材料催生新一代低成本低功耗太阳能电池

CH3NH3PbI3-xClx混合钙钛矿卤化物晶体结构。铅(黄色球)和卤化物(I/CI,粉红球)各别位在八面体的中心和角部,有机阳离子则位于空隙。
Source:维克森林大学,2015

    “混合钙钛矿卤化物场效晶体管(HHP-FET)能促进光电互补的发展。”Jurchescu教授告诉EETimes。他也补充说明,这项工作是与犹他州立大学(University of Utah)共同合作。

    从光学角度切入,因为“发光二极管(LED)基于这些媲美市场上最好的化合物。”这是根据Jurchescu教授的说法。此外,HHP-FET半导体也可表现出波长可调光致发光(Photoluminescence,PL)发射,包括制造电泵浦雷射,以及有扩散长度数百微米的电荷载体。该材料具有自旋相关 (Spin-related)属性,尽管基于较强的自旋-轨迹(Spin-orbit)耦合而有相对短的自旋寿命。

    好消息是,Jurchescu教授能够以同样的载体流动性,展示互补的N型(N-type)与P型(P-type)组件,让类CMOS(CMOS-like)钙钛矿半导体能在未来问世。坏消息则是,Jurchescu教授目前的原型显示出一个1cm2/Vs电子迁移率,相较于硅材料的1,400cm2/Vs的电子离动率,可说惨淡许多。然而,理论上HHP-FET最大的电子迁移率是2,000cm2/Vs--即使高过硅,但却伴随着300cm2/Vs的空穴迁移率(与硅材料的450cm2/Vs相比)。研究人员也发现HHP-FET在良率、可运作性及环定稳定性也比不上硅,这或许可从任何新的半导体材料预料得到。

钙钛矿材料催生新一代低成本低功耗太阳能电池
基于混合卤化物半导体层的FET结构示意图,具有金源极和漏极接触、CYTOP电介质和铝栅电极。
Source:维克森林大学,2015

[责任编辑:赵卓然]

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