基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT及其制备方法与流程
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT及其制备方法。
背景技术：
随着电子技术的蓬勃发展，半导体集成电路对社会发展和国民经济所起的作用越来越大。而其中市场对光电高速器件的需求与日俱增，并对器件的性能不断提出更高更细致的要求。为寻求突破，不管从工艺，材料还是结构等方面的研究一直未有间断。近年来，随着可见光无线通讯技术以及电路耦合技术的崛起，市场对可见光波段的光电高空穴迁移率晶体管(High Hole Mobility Transistor,简称HHMT)提出了新的要求。
有机/无机钙钛矿(CH3NH3PbI3)的横空出世，又给研究带来了新的视角。有机/无机钙钛矿中的有机基团和无机基团的有序结合，得到了长程有序的晶体结构，并兼具了有机和无机材料的优点。无机组分的高迁移率赋予了杂化钙钛矿良好的电学特性；有机组分的自组装和成膜特性，使得杂化钙钛矿薄膜的制备工艺简单而且低成本，也能够在室温下进行。杂化钙钛矿本身高的光吸收系数也是杂化钙钛矿能够在光电材料中应用的资本。
然后，当前CH3NH3PbI3材料并未很成熟地应用于HHET器件中，而且如何进一步提高光电转换效率仍然是亟待解决的难题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的制备方法，包括：
选取Al2O3衬底；
在所述Al2O3衬底下表面形成反光层；
在所述Al2O3衬底上表面制作源漏电极；
在所述源漏电极以及未被所述源漏电极覆盖的所述Al2O3衬底上表面形成空穴传输层；
利用旋涂工艺，在所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3和PCBM混合材料形成光吸收层；
在所述光吸收层表面制作栅电极以最终形成所述反光增强型HHMT。
在本发明的一个实施例中，在所述Al2O3衬底下表面形成反光层，包括：
以Ag材料作为靶材，以Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，溅射功率为20～100W的条件下，利用磁控溅射工艺，在所述Al2O3衬底下表面溅射Ag材料形成所述反光层。
在本发明的一个实施例中，在所述Al2O3衬底上表面制作源漏电极，包括：
采用第一物理掩膜版，以Au材料作为靶材，以Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，溅射功率为20～100W的条件下，在所述Al2O3衬底上表面溅射Au材料形成所述源漏电极。
在本发明的一个实施例中，在所述源漏电极以及未被所述源漏电极覆盖的所述Al2O3衬底上表面形成空穴传输层，包括：
按照一定体积比将锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和钴盐的乙腈溶液加入至Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，搅拌后形成Spiro-OMeTAD材料；
在包括所述源漏电极的整个衬底的上表面旋涂所述Spiro-OMeTAD材料形成所述空穴传输层。
在本发明的一个实施例中，利用旋涂工艺，在所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3和PCBM混合材料形成光吸收层，包括：
利用单一旋涂工艺，将CH3NH3PbI3与PCBM的混合溶液旋涂在所述空穴传输层表面形成CH3NH3PbI3/PCBM材料；
利用退火工艺，对所述CH3NH3PbI3/PCBM材料进行退火处理形成所述光吸收层。
在本发明的一个实施例中，将CH3NH3PbI3与PCBM的混合溶液旋涂在所述空穴传输层表面形成CH3NH3PbI3/PCBM材料，包括：
将PbI2材料和CH3NH3I材料先后加入DMSO:GBL溶液中形成PbI2和CH3NH3I的混合溶液；
将所述PbI2和CH3NH3I的混合溶液加热搅拌，并进行退火处理后形成CH3NH3PbI3溶液；
将所述CH3NH3PbI3溶液和PCBM溶液混合后旋涂在所述空穴传输层表面形成所述CH3NH3PbI3/PCBM材料。
在本发明的一个实施例中，在所述光吸收层表面制作栅电极，包括：
采用第二掩膜板，以Au材料作为靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，溅射功率为20～100W的条件下，在所述光吸收层表面溅射Au材料形成所述栅电极。
本发明的另一个实施例提供了一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT，其中，所述增强型HHMT由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例提供的增强型HHMT，具备如下优点：
1、由于本发明的晶体管采用对称的空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了高空穴迁移率晶体管中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。
2、由于本发明的晶体管采用衬底背面镀反光层，把反射光也利用起来，增加了对光的利用率，能吸收更多的光生载流子，增强器件性能。
3、由于本发明的晶体管采用的空穴传输层传输空穴阻挡电子，能传输更多的空穴，增强器件性能。
4、本发明的晶体管采用由CH3NH3PbI3向沟道提供大量的空穴，形成衬底镀银反射增强型HHMT高空穴迁移率晶体管，具有迁移率高，开关速度快，光吸收增强，光生载流子增多，传输特性增强，光电转换效率大的优点。
5、由于本发明的晶体管采用在光吸收层加入了PCBM材料形成了异质结，能通过对孔洞和空位的填充改善光吸收层薄膜的质量，从而产生更大的晶粒和更少的晶界，吸收更多的光产生光生载流子，增强器件性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的制备方法流程示意图；
图4a-图4f为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的制备方法示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第一物理掩膜版的结构示意图；以及
图6为本发明实施例提供的一种第二物理掩膜版的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1及图2，图1为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的截面示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的俯视示意图。本发明的增强型HHMT包括：Al2O3衬底1、反光层2、源漏电极3、空穴传输层4、光吸收层5、栅电极6。其中，Al2O3衬底1、反光层2、源漏电极3、空穴传输层4、光吸收层5、栅电极6依次形成多层结构。
其中，反光层2可以采用银材料；源漏电极3可以采用金材料；空穴传输层4可以采用Spiro-OMeTAD材料；所述光吸收层5可以采用CH3NH3PbI3/PCBM材料；所述栅电极6可以采用金材料。
PCBM材料是一个富勒烯衍生物，分子式是[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester。由于它的较好的溶解性，与常见的聚合物给体材料形成良好的相分离。本发明利用了这一特性，将其很巧妙的用于图1所示的HHET器件中，能通过对孔洞和空位的填充改善光吸收层薄膜的质量，从而产生更大的晶粒和更少的晶界，吸收更多的光产生光生载流子，增强器件性能。
需要说明的是：CH3NH3PbI3材料因在近红外和可见光范围较高的响应度而极适合与在可见光范围的光电探测，其光电灵敏度高，并兼具较高的空穴迁移率以及有较好的导电性，是制备HHMT的理想材料。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤1、选取Al2O3衬底；
步骤2、在所述Al2O3衬底下表面形成反光层；
步骤3、在所述Al2O3衬底上表面制作源漏电极；
步骤4、在所述源漏电极以及未被所述源漏电极覆盖的所述Al2O3衬底上表面形成空穴传输层；
步骤5、利用旋涂工艺，在所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3和PCBM混合材料形成光吸收层；
步骤6、在所述光吸收层表面制作栅电极以最终形成所述反光增强型HHMT。
其中，步骤2可以包括：
以Ag材料作为靶材，以Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，溅射功率为20～100W的条件下，利用磁控溅射工艺，在所述Al2O3衬底下表面溅射Ag材料形成所述反光层。
步骤3可以包括：
采用第一物理掩膜版，以Au材料作为靶材，以Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，溅射功率为20～100W的条件下，在所述Al2O3衬底上表面溅射Au材料形成所述源漏电极。
步骤4可以包括：
按照一定体积比将锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和钴盐的乙腈溶液加入至Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，搅拌后形成Spiro-OMeTAD材料；
在包括所述源漏电极的整个衬底的上表面旋涂所述Spiro-OMeTAD材料形成所述空穴传输层。
步骤5可以包括：
步骤51、利用单一旋涂工艺，将CH3NH3PbI3与PCBM的混合溶液旋涂在所述空穴传输层表面形成CH3NH3PbI3/PCBM材料；
步骤52、利用退火工艺，对所述CH3NH3PbI3/PCBM材料进行退火处理形成所述光吸收层。
其中，步骤51可以包括：
步骤511、将PbI2材料和CH3NH3I材料先后加入DMSO:GBL溶液中形成PbI2和CH3NH3I的混合溶液；
步骤512、将所述PbI2和CH3NH3I的混合溶液加热搅拌，并进行退火处理后形成CH3NH3PbI3溶液；
步骤513、将所述CH3NH3PbI3溶液和PCBM溶液混合后旋涂在所述空穴传输层表面形成所述CH3NH3PbI3/PCBM材料。
步骤6可以包括：
采用第二掩膜板，以Au材料作为靶材，以Ar气体作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa，溅射功率为20～100W的条件下，在所述光吸收层表面溅射Au材料形成所述栅电极。
需要重点强调的是，反光层的形成并不限定于上述实施例中的执行步骤，其可以在蓝宝石衬底上表面的加工工艺完成后再进行制备，因此，本实施例中关于反光层的制备顺序仅为示例，并以此为限。
本实施例，采用由CH3NH3PbI3向沟道提供大量的空穴，在衬底下表面镀银形成反射增强型HHMT，具有迁移率高，开关速度快，光吸收以及光利用率增强，光生载流子增多，传输特性增强，光电转换效率大的优点。
另外，采用在光吸收层加入了PCBM材料形成了异质结，能通过对孔洞和空位的填充改善光吸收层薄膜的质量，从而产生更大的晶粒和更少的晶界，吸收更多的光产生光生载流子，增强器件性能。
实施例三
请一并参见图4a-图4f及图5和图6，图4a-图4f为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的制备方法示意图，图5为本发明实施例提供的一种第一物理掩膜版的结构示意图；以及图6为本发明实施例提供的一种第二物理掩膜版的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的衬底反光增强型HHMT的制备方法进行详细说明如下：
步骤1：请参见图4a，准备衬底蓝宝石Al2O3，厚度为200μm～600μm。
衬底选用蓝宝石Al2O3理由：由于其价格低廉，且绝缘性能好，有效的防止HHMT高空穴迁移率晶体管的纵向漏电。
步骤2：请参见图4b，在蓝宝石衬底背面磁控溅射栅电极银材料形成反光层。
采用磁控溅射工艺在步骤1所得衬底背面磁控溅射栅电极银材料，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的银，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，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。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为20-30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W-100W的条件下，制备反光层银镜，电极厚度为100nm-300nm。
反光层可选用Al\Cu等金属替代。
步骤3：请参见图4c及图5，使用第一物理掩膜版，在蓝宝石衬底上磁控溅射源漏电极金材料。
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，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。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为20-30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W-100W的条件下，制备源漏电极金，电极厚度为100nm～300nm。
源漏电极可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。
步骤4：请参见图4d，在步骤3所制备的源漏电极以及未被覆盖的衬底上旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD材料。
配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入520mg/mL锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL钴盐的乙腈溶液，三者体积比为10:17:11，常温搅拌1h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；将Spiro-OMeTAD溶液滴加到所准备的衬底和源漏电极上，然后进行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴传输层，传输层厚度为50-200nm。
步骤5：请参见图4e，在空穴传输层上材料采用单一旋涂法制备光吸收层。
采用单一旋涂法在步骤4所得空穴传输层上旋涂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；并按照CH3NH3PbI3：PCBM＝100：1的比例溶液滴加到步骤4所得的Spiro-OMeTAD空穴传输层上，在100摄氏度下退火20分钟，形成CH3NH3PbI3/PCBM光吸收层，光吸收层厚度为200～300nm。
步骤6：请参见图4f及图6，使用第二物理掩膜版，在光吸收层CH3NH3PbI3/PCBM上磁控溅射栅电极金材料。
采用磁控溅射工艺在步骤5所得光吸收层CH3NH3PbI3/PCBM上磁控溅射栅电极金材料，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，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。在真空度为6×10-4-1.3×10-3Pa、氩气流量为20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W-100W的条件下，制备栅电极金，电极厚度为100nm～300nm。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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