锡基钙钛矿场效应晶体管中接触电阻与迁移率的临界评估及其对高性能器件的启示

这篇研究通过门控四点探针（4PP）测量技术，系统评估了Cs0.15FA0.85SnI3锡基钙钛矿场效应晶体管（FET）的接触电阻（RC）与迁移率（μ）的关系，揭示了传统两点探针（2P）方法在窄沟道器件中因RC效应导致的迁移率高估或低估问题。研究提出采用大长宽比（L/W）器件和Hofstein模型可更准确提取本征迁移率（3.4 cm2 V?1 s?1），为钙钛矿半导体器件的性能优化提供了关键方法论。

　　

摘要

锡基钙钛矿半导体因其高迁移率潜力成为p型场效应晶体管（FET）的研究热点，但传统两点探针（2P）方法在小长宽比（L/W < 0.5）器件中易因接触电阻（R_C）和非理想特性导致迁移率高估。本研究通过门控四点探针（4PP）测量Hall bar器件（L/W = 5），获得稳定的迁移率3.4 cm² V^?1 s^?1，并利用Hofstein-Heiman MOSFET模型解析R_C的影响，揭示2P线性迁移率因R_C压降被低估，而饱和迁移率因?R_C/?V_G在阈值附近变化被高估的现象。

1 引言

锡基钙钛矿FET的迁移率常通过2P方法在饱和区高电流下测得，但缺乏对R_C影响的考量。本研究首次在钙钛矿FET中系统应用4PP方法，结合Hofstein模型（式8）提取V_G依赖的迁移率，解决了传统方法（式1-2）在非均匀电荷分布和R_C效应下的局限性。

2 结果

2.1 材料表征

Cs_0.15FA_0.85SnI₃薄膜呈现1 μm晶粒尺寸和γ相正交结构（XRD），带隙1.34 eV（PL），2.9 ns载流子寿命（TCSPC），符合高性能FET的材料要求。

2.2 4PP FET特性

Hall bar器件（L = 600 μm, W = 120 μm）显示线性输出曲线（图2b），阈值电压（V_th）> +80 V，源于锡空位（V_Sn）的p型掺杂。4PP迁移率（Hofstein法）显示弱V_G依赖性，但受V_DS调制（图2g），而脉冲栅压或低温（220 K）可抑制非理想性（图3）。

2.4 2P与4PP迁移率对比

窄沟道2P器件（L/W = 0.1）的线性迁移率（2-4 cm² V^?1 s^?1）因R_C压降被低估，饱和迁移率（峰值5.5 cm² V^?1 s^?1）因?R_C/?V_G被高估（图4）。4PP结果则显示一致性（图5），验证其可靠性。

2.6 接触电阻分析

R_C在阈值区急剧增加（图6a），且源极侧R_C高于漏极侧（图2d），反映肖特基势垒不对称性。2P器件中R_C占比随温度降低从15%升至60%（图7），导致低温下迁移率严重低估。

2.7 温度依赖性

4PP迁移率在180 K以下趋于平坦（图8d），可能源于晶界隧穿效应；热激活能（E_a = 75 meV）表明室温传输受热激活主导，而2P结果因R_C干扰呈现异常低E_a（25 meV）。

3 讨论与结论

研究证实R_C对V_DS和V_G的敏感性是2P迁移率偏差的主因，而4PP方法结合Hofstein模型可消除此影响。低温下迁移率平台化现象为锡钙钛矿的晶界传输机制提供了新视角。未来需优化接触界面并推广4PP标准，以准确评估钙钛矿半导体的本征性能。

4 实验方法

器件通过机械刻划法图案化，在真空探针台中进行电学测试，采用Agilent 4155C分析仪和FetCh平台控制，确保数据可靠性。