基于CH3NH3PbI3材料的NMOS器件及其制备方法与流程

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件及其制备方法。

背景技术：

半导体集成电路是电子工业的基础，人们对电子工业的巨大需求，促使了该领域的迅速发展。在过去的几十年中，电子工业的迅猛发展对社会发展及国民经济都产生了巨大的影响。半导体集成电路一直遵循着Moore定律发展，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。直至今天，Moore定律仍然发挥着作用。

有机/无机钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)可以让有机/无机分子进行有序的组合，将二者的优点结合在一个分子复合物内，得到长程有序的晶体结构。无机组分的晶体结构和坚硬框架，以极强的共价键或离子键能提供高迁移率的好的热稳定性，而有机成分提供了通过分子剪裁改变光电性能以及良好的自组装和成膜特性，使杂化钙钛矿材料能够进行低温和低成本加，可以通过简单的旋转涂覆、浸渍涂布、真空蒸镀等技术制备薄膜器件。

基于传统CH₃NH₃PbI₃材料的光电场效应晶体管(MOSFET)作为半导体集成电路最基本的器件单位，由于CH₃NH₃PbI₃材料在接收光信号时发生电子空穴复合，从而使光电转换效率大大降低，极大影响了MOSFET光电场效应晶体管器件器件性能。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件及其制备方法。

具体地，本发明一个实施例提出的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件的制备方法，包括：

S101、选取掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3的P型Si衬底；

S102、利用热氧化工艺在所述Si衬底上表面生长SiO₂材料形成栅介质层；

S103、采用氩气对磁控溅射设备腔体进行清洗；

S104、利用磁控溅射工艺在所述SiO₂材料表面生长TiO₂材料形成电子传输层；

S105、采用第一掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述TiO₂材料表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层；

S106、利用磁控溅射工艺在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极；

S107、采用第二掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述电子传输层材料表面溅射Au材料形成源漏电极，最终形成所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件。

本发明另一个实施例提出的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件，包括：Si衬底、栅介质层、电子传输层、光吸收层、背电极及源漏电极；其中，所述电子传输层由CH₃NH₃PbI₃材料形成，且所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件由上述实施例提供的方法制备形成。

本发明再一个实施例提出的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件的制备方法，包括：

选取Si衬底；

在所述Si衬底表面生长栅介质层；

在所述栅介质层表面生长电子传输层；

在所述电子传输层表面生长CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层；

在所述电子传输层表面生长Au材料形成源漏电极，最终形成所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件。

在本发明的一个实施例中，在所述栅介质层表面生长电子传输层，包括：

利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO₂材料形成电子传输层。

在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO₂材料形成电子传输层，包括：

采用靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO₂靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，抽真空，本底真空为4.0×10^-3Pa，依次通入氩气和氧气，通过调节流量控制氩气和氧气的体积比为9:1，总压强保持为2.0Pa，溅射功率为80W，生长形成所述TiO₂材料；

经过70℃至150℃的退火处理，形成所述电子传输层。

在本发明的一个实施例中，在所述电子传输层表面生长CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层，包括：

采用掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层。

在本发明的一个实施例中，采用第一掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层，包括：

将654mg的PbI₂和217mg的CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液；

将PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；

将CH₃NH₃PbI₃溶液滴加所述电子传输层，使用所述第一掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成所述光吸收层。

在本发明的一个实施例中，在所述电子传输层表面生长CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层之后，还包括：

利用磁控溅射工艺在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极。

在本发明的一个实施例中，在所述电子传输层表面生长Au材料形成源漏电极，包括：

在所述电子传输层表面使用第二掩膜板隔离所述光吸收层；

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar材料作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10^-4Pa、氩气流量为20cm³/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备形成所述源漏电极。

本发明又一个实施例提出的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件，包括：Si衬底、栅介质层、电子传输层、光吸收层及源漏电极；其中，所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件由上述实施例所述的方法制备形成。

基于此，本发明具备如下优点：

由于本发明的晶体管采用电子传输层传输电子阻挡空穴，克服了现有技术中采用CH₃NH₃PbI₃的MOSFET光电场效应晶体管中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。

本发明的晶体管采用由CH₃NH₃PbI₃向沟道提供大量的电子，形成n型MOSFET光电场效应晶体管，具有驱动功率小，开关速度快，光电转换效率大的优点。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件制备方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件的截面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件的俯视图；

图4为本发明实施例提供的一种第一掩膜板的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种第二掩膜板的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件制备方法的示意图。该方法包括如下步骤：

步骤a、选取Si衬底；

步骤b、在所述Si衬底表面生长栅介质层；

步骤c、在所述栅介质层表面生长电子传输层；

步骤d、在所述电子传输层表面生长CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层；

步骤e、在所述电子传输层表面生长Au材料形成源漏电极，最终形成所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件。

其中，步骤c可以包括：

利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO₂材料形成电子传输层。

进一步，步骤c可以包括：

步骤c1、采用靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO₂靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，抽真空，本底真空为4.0×10^-3Pa，依次通入氩气和氧气，通过调节流量控制氩气和氧气的体积比为9:1，总压强保持为2.0Pa，溅射功率为80W，生长形成所述TiO₂材料；

步骤c2、经过70℃至150℃的退火处理，形成所述电子传输层。

另外，步骤d可以包括：

采用掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收层。

进一步地，步骤d可以包括：

步骤d1、将654mg的PbI₂和217mg的CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液；

步骤d2、将PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；

步骤d3、将CH₃NH₃PbI₃溶液滴加所述电子传输层，使用所述第一掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成所述光吸收层。

另外，在步骤d之后，还可以包括：

步骤x、利用磁控溅射工艺在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极。

另外，步骤e可以包括；

步骤e1、在所述电子传输层表面使用第二掩膜板隔离所述光吸收层；

步骤e2、溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar材料作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10^-4Pa、氩气流量为20cm³/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备形成所述源漏电极。

本发明的有益效果具体为：

由于本发明的晶体管采用电子传输层传输电子阻挡空穴，克服了现有技术中采用CH₃NH₃PbI₃的MOSFET光电场效应晶体管中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。

实施例二

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件的截面示意图。该基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件包括：背电极1、Si衬底2、栅介质层3、电子传输层4、光吸收层5、源漏电极6；其中，所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件由上述实施例所述的方法制备形成。

本发明的晶体管采用由CH₃NH₃PbI₃向沟道提供大量的电子，形成n型MOSFET光电场效应晶体管，具有驱动功率小，开关速度快，光电转换效率大的优点。

实施例三

请一并参见图3、图4及图5，图3为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件的俯视图；图4为本发明实施例提供的一种第一掩膜板的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种第二掩膜板的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的的技术方案进行详细描述。具体地，该方法可以包括：

步骤1：准备衬底硅。

准备体硅材料；所述体硅材料包括衬底层，其中衬底层为重掺杂硅，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3。

步骤2：热氧化SiO₂。

采用热氧化工艺在步骤1所准备的体硅材料表面生长SiO₂氧化层。

步骤3：磁控溅射TiO₂。

靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO₂靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空，本底真空为4.0×10^-3Pa，随后依次通入氩气和氧气，通过调节流量控制氩气和氧气的体积比为9:1，总压强保持为2.0Pa，溅射功率为80W，生长结束后再经过70℃至150℃的退火处理，由此在SiO₂氧化层上制备TiO₂电子传输层。

步骤4：旋涂CH₃NH₃PbI₃。

采用单一旋涂法在步骤3所得TiO₂电子传输层上使用第一掩膜板隔离旋涂CH₃NH₃PbI₃光吸收层，将654mg的PbI₂和217mg的CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液；将PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，得到搅拌后的溶液；将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；将CH₃NH₃PbI₃溶液滴加到步骤3所得的TiO₂薄膜上，使用第一掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成CH₃NH₃PbI₃光吸收层。

步骤5：生长背面电极Al。

采用磁控溅射工艺在步骤1所准备的硅衬底背面溅射电极Al，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的铝，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10^-4Pa、氩气流量为20cm³/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备背电极铝。

步骤6：生长源漏电极Au。

在步骤3所准备的TiO₂薄膜上使用第二掩膜板隔离CH₃NH₃PbI₃光吸收层，随后溅射正面电极Au。溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的金，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10^-4Pa、氩气流量为20cm³/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备源漏电极金。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于CH₃NH₃PbI₃材料的NMOS器件及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。