Lake Shore低温探针台助力一篇Nature子刊！锡基钙钛矿铁电半导体研究取得重要进展

铁电半导体因其可切换极化、铁电场调控以及半导体输运特性等优势，在铁电晶体管和非易失性存储器领域具有广阔的应用前景。然而，制备同时具有强铁电性和半导体特性的薄膜颇具挑战。近年来，锡基钙钛矿半导体因其 p 型特性和较低的载流子有效质量备受关注，但具有强铁电性的锡基钙钛矿半导体却鲜有报道。高载流子浓度会屏蔽铁电极化场，致使铁电极化减弱甚至消失。因此，探索一种使锡基钙钛矿半导体具有铁电性的新方法，对于实现低功耗器件和存储器的应用至关重要。

复旦大学材料科学系的褚君浩院士和李文武研究员团队提出了一种创新的分子重构策略，通过掺杂2-甲基苯并咪唑（MBI），成功将锡基钙钛矿半导体薄膜转变为铁电半导体薄膜，这一转变源于分子重构。重构后的铁电半导体表现出高达23.2 μC/cm²的剩余极化（Pr）。铁电性的产生源于咪唑分子掺杂后氢键的增强，从而导致空间对称性破缺，使得正负电荷中心不再重合。值得注意的是，基于钙钛矿铁电半导体的晶体管表现出低于67 mV/dec的亚阈值摆幅（SS），进一步证实了引入铁电性的显著优势。这一发现为基于锡基钙钛矿的铁电器件提供了新的材料平台，也为下一代电子器件的设计和发展开拓了广阔前景。相关研究成果以“Emergence of ferroelectricity in Sn-based perovskite semiconductor films by iminazole molecular reconfiguration”为题，发表于国际著名学术期刊《Nature Communications》上。李文武研究员为通讯作者，材料科学系博士生刘昱为第一作者。

图1 锡基钙钛矿薄膜的压电原子力显微镜（PFM）、二次谐波光谱（SHG）和铁电性能

研究团队进一步将掺MBI分子的锡基铁电钙钛矿应用于铁电场效应晶体管（FeFET）中，研发了底栅顶接触结构的器件（图2a）。实验结果显示，原始晶体管的转移曲线呈现出典型的界面缺陷和体缺陷捕获载流子的特征（图 2b），反向电流低于正向电流。而掺MBI后的FeFET，由于极化电场的作用，反向电流超过正向电流，展现出显著的铁电滞回现象。研究人员还对不同扫描速度、扫描范围、漏源电压和不同温度下的转移曲线进行了测量，发现扫描窗口基本保持一致，再次证明了滞后现象源于铁电场效应晶体管（FeFETs）的铁电性。同时，随着MBI浓度的增加，器件的亚阈值摆幅（SS）从120 mV/dec降至67 mV/dec，充分表明该材料在低压操作和低功耗器件方面有着的巨大潜力。

图2 基于铁电钙钛矿半导体的锡基晶体管的电学表征

本次工作中，基于铁电钙钛矿半导体的锡基晶体管的常温及变温电学表征能够精准完成，Lake Shore CRX-6.5K低温探针台发挥了不可或缺的作用，它与Keysight B1500协同工作，为实验数据的准确获取提供了坚实的保障。

CRX-6.5K低温探针台主要参数：

☑ 温度范围8 K ~ 350 K

☑ 可升级高温选件至675 K

☑ 温度控制稳定性±10 mK @ 11 K~350 K

☑ 最多可配置6个探针臂

☑ 直流漏电流＜100 fA

☑ 微波频率最高至67GHz

☑ 光纤可用波长覆盖200 nm~2100 nm

图3 Lake Shore CRX-6.5K 低温探针台

Lake Shore低温探针台创新型变温测量解决方案

在使用半导体参数分析仪进行变温测试时，设备与变温测试结合困难一直是困扰研究人员的难题。Lake Shore联合是德科技和吉时利，推出了自动变温测量的解决方案，让变温半导体参数测量变得便捷、可靠、高效！

1. 与是德科技（Keysight）B1500A 半导体器件参数分析仪联用

研究人员将是德科技B1500A 半导体参数分析仪及其EasyExpert™软件与Lake Shore低温探针台的336温控仪的接口连接，能够在自动化测量过程中通过编程管理温度设置。启动后，软件会在设定的温度范围内自动运行各种参数测量，并与 336 型温控仪无缝协作，精确记录和控制样品温度，实现了在宽温度范围内对早期材料和器件的自动精确表征。

图4 是德科技B1500半导体参数分析仪的EasyExpert 软件与Lake Shore低温探针台的336温控仪联用

2. 与吉时利（Keithley）4200-SCS 半导体参数分析仪联用

许多Lake Shore的客户使用多个单独的测量仪表和自动化软件来控制探针台测量。但我们也注意到，有些客户正在使用吉时利 4200-SCS 半导体参数分析仪系统的集成编程接口与Lake Shore的336温控仪联用，并结合特有的 ZN50R-CVT 探针，可在Lake Shore探针台中实现变温测量的自动化运行。用户可以对系统进行编程，使其按设定的温度逐步变化，并在一定温度范围内运行多项测量，无需手动重复进行探针抬起、落针以及多次的温度重新设定等繁琐操作。吉时利新发布的固件中包含了用于Lake Shore 336 型温控仪（该仪器用于控制探针台样品台温度）的驱动程序，进一步优化了二者的兼容性。

图5 吉时利4200半导体参数分析仪与336温控仪自动控制兼容界面

3. 自动变温测试重要配件——ZN50R-CVT适用变温探针

Lake Shore的 CVT（连续可变温度）探针的设计，能够抵消因热胀冷缩导致的探针臂移动，确保在整个变温循环过程中，探针尖端的着陆位置保持稳定。同时，CVT 探针可装到现有平台上，通过简化和优化测量流程，以及拓展新的测量应用，提升Lake Shore探针台的整体功能。

图6 CVT适用变温探针实物图

与标准 ZN50R 探针相比，CVT 探针在变温测试时无需频繁重新定位，有效减少了调整探针位置的时间，降低了测量误差。

图7 标准探针和CVT探针比较

除了提高效率和更快获得结果外，消除重复接触定位带来的差异，还能大幅降低测量误差。即使是经验丰富、操作熟练的用户，也无法完全消除每次探针着陆时接触电阻的变化。使用CVT探针，包括霍尔效应、栅控霍尔效应、电流-电压（I-V）、反常霍尔效应（AHE）、磁阻（MR）、深能级瞬态谱（DLTS）、电容-电压（C-V）、光致发光和塞贝克效应等测量，都会变得更加轻松便捷。

变温霍尔效应测试实例对比

下图展示了 ZN50R-CVT 探针在实际测量中的性能。通过对比 ZN50R - CVT 探针和Lake Shore标准 ZN50R 探针，得出了霍尔迁移率随温度的变化关系。测量是在Lake Shore CPX - VF 垂直磁场探针台上进行的。在温度变化期间，ZN50R 探针需要抬起，待温度稳定后再重新放置，这一过程需要操作人员进行 14 次不同的操作干预。而ZN50R-CVT 探针在 20K 时放置在样品上，在20K 至 300K 的温度范围内无需操作人员干预。在这两个实验中，温度都是以逐点升温的模式调节的：先改变设定温度，待温度稳定后再进行测量。

图8 变温霍尔效应标准探针和CVT探针操作对比

Lake Shore低温探针台凭借其宽温度范围、高稳定性和多功能配置，为锡基钙钛矿铁电半导体薄膜及其低功耗晶体管研究提供了强有力的支持。自动化变温测量解决方案和CVT适用变温探针的引入，进一步提升了实验的便捷性和准确性。这一创新性进展不仅推动了钙钛矿半导体领域的发展，更为未来低功耗、高效能电子器件的设计提供了新的思路。

参考文献：

[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).