半导体器件的标准制造技术——使电子学成为可能的技术——涉及在真空容器中高温加工原材料。这从根本上限制了制造效率和可扩展性。

长期以来，人们一直在追求在较低温度和环境压力下从化学溶液中沉积的工艺，作为一种更高效、更可扩展的替代方案，但这种工艺通常会导致材料存在大量结构缺陷，从而导致劣质设备

表演。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Grainger工程学院材料科学与工程副教授Qing Cao的实验室开发了一种迄今为止用溶液沉积半导体生产性能最高的晶体管的工艺。然而，研究小组惊讶地发现，用于该工艺的最佳半导体比其母材具有更高的缺陷浓度。

曹说：“值得注意的是，即使有更多的缺陷，它们组织成有序的缺陷对是我们的材料在溶液沉积工艺中具有创纪录高性能的原因。”“我们比基础材料科学走得更远，并表明可以构建功能电路和系统，如显示器，为许多需要覆盖大面积的高性能电子产品的新兴应用铺平了道路。”

这项研究最近发表在《科学进展》杂志上，概述了用溶液沉积法制备有序缺陷化合物半导体CuIn5Se8制造器件的过程。它们被用来形成以兆赫为单位工作的高速逻辑电路和分辨率为每英寸508像素的微型显示器。显示器中的晶体管驱动无机微型led，这是一种比目前标准的有机led更亮、更耐用的替代品，但需要更强大的晶体管来驱动每个像素。Cao认为，新材料和工艺可以扩展到支持下一代无机微型led显示屏和高速印刷电子产品，用于医疗保健，智能包装和物联网。

溶液沉积的前景

标准半导体制造所需的极端条件限制了加工材料的表面积。虽然这对于芯片和微电子来说是可以接受的，但对于需要许多设备协调和分布在大面积上的应用来说，如电子显示器，这在经济上是禁止的。溶液沉积，即半导体溶解在液体中并铺在目标基板上，不仅可以实现大面积应用，而且可以提高加工效率。

“事实上，溶液沉积可以在常压下和更低的温度下进行，这使得它在制造吞吐量、成本和衬底兼容性方面成为标准气相沉积的理想替代方案，”Cao说。

然而，气相沉积技术已经发展到加工材料几乎没有缺陷的地步，从而导致高性能器件。在将溶液沉积用于商业加工之前，必须对其进行开发，使其产生的材料具有相同的性能水平。

更好的半导体

曹回忆说，铜-铟-硒材料第一次引起他的实验室的注意是因为它们

可调谐性。改变材料中每种元素的确切比例，为他们实现铜铟硒比例为0.9:1:2的有效太阳能电池提供了广阔的材料设计空间。

这个想法是。我们可以控制材料的比例，所以我们可以调整它们

为电子产品制造好的半导体而不是好的太阳能电池？”曹说。“我们

为这些材料开发了一种溶液沉积工艺，我们用

直到我们找到一种适合电子用途的材料，它的铜-铟-硒比例为1:5:8。事实上，我们发现的这种组合不仅优于其他可解决方案的半导体，而且优于目前用于显示器的大多数半导体。”

半导体性能通常用电荷迁移率来量化，电荷迁移率是当施加电压时电子在材料中移动的容易程度。与大型LCD显示器中使用的非晶硅半导体相比，研究人员的材料CuIn5Se8的迁移率提高了500倍。与最先进的有机LED显示器中使用的金属氧化物半导体相比，新材料的移动性提高了四倍。

CuIn5Se8的移动性可与用于智能手机显示屏的低温多晶硅相媲美。然而，多晶硅加工需要激光退火，这使得它难以扩大规模并包括在更大的设备中。溶液沉积的CuIn5Se8可以促进更大的高性能显示器。

更多的缺陷，令人惊讶

研究人员的下一步是弄清楚为什么CuIn5Se8表现如此之好。他们咨询了Grainger工程学院材料科学与工程教授、材料表征专家左建民。

“一般来说，作为材料科学家，我们认为性能更好的材料缺陷更少，这也是我们最初所期望的，”曹说。“但后来，左教授用透射电子显微镜观察了微观结构后，给我们回了电话。结果发现，它不仅比母体化合物有更多的缺陷，而且可能同时存在两种缺陷！”

为了解决这个明显的矛盾，研究人员求助于格兰杰工程学院材料科学与工程副教授、理论家安德烈·施莱夫（andr<s:1> Schleife）。通过模拟新的铜铟硒材料，Schleife的研究小组发现，CuIn5Se8中的两种缺陷可以结合形成一种称为有序缺陷化合物的材料系统。在这样的系统中，不同类型的材料缺陷组织成一个规则的模式并“抵消”，导致电荷迁移率的提高。

一条通往高速电子和高性能显示器打印的道路

研究人员通过使用新的耐缺陷铜铟硒半导体与基于氮化镓的微型led一起构建显示器，展示了他们的工艺能力。CuIn5Se8材料构成了高性能晶体管的基础，这些晶体管可以运行8 × 8微米的LED像素，紧密封装到每英寸508像素的分辨率。

“虽然有机led是高性能显示器的标准，但基于无机物质（如氮化镓）的led正在成为更快、更高亮度和更节能的替代品，”曹解释说。“然而，由于它们更亮，它们需要高功率的电子设备来操作，如果我们想在更小的占地面积内压缩它们以获得高分辨率，这尤其具有挑战性。我们证明了我们的新半导体可以胜任这项任务，并且我们已经证明了它可以通过溶液沉积有效地制造。”

除了驱动led外，这些晶体管还可以集成形成逻辑电路

与其他解决方案相比，提供了更好的性能

可加工的半导体。这些电路可以在兆赫兹工作，延迟低至75

纳秒。在不牺牲性能的情况下，与低成本溶液沉积工艺的兼容性对未来的可印刷电子产品很有希望。它们可以用于持续健康监测、集成传感和计算的智能包装，以及价格合理的物联网设备。

曹指出，虽然这个过程已经足够成熟，可以商业化，但他们正在拖延，直到它变得更环保。

他说：“这个过程目前是基于肼，它被用作火箭燃料。”“它可以在工业环境中使用，但我们首先想修改这个过程，使用更安全的化学品，并留下更小的环境足迹。”

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该研究题为“用于高压电器件的可解加工有序缺陷化合物半导体”

《性能电子学》，可在网上找到。DOI: 10.1126 / sciadv.adr8636

王贤能、安福飞、王辛蒂、尹开军、刘江南、王仪涵

对这项工作有贡献。

Cao， Schleife和Zuo也隶属于Grainger材料研究实验室

工程。

曹还隶属于电气与计算机工程系和工程学院

Holonyak微纳米技术实验室在格兰杰工程和伊利诺伊州化学系。

Schleife还隶属于伊利诺斯州的国家超级计算应用中心。

由美国国家科学基金会提供支持。