基于CH3NH3PbI3材料的N型双向HEMT器件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材料的N型双向HEMT器件及其制备方法。

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电子迁移率晶体(High Electron Mobility Transistor,简称HEMT)管提出了新的要求。

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。

传统的无机HEMT高电子迁移率晶体管都是属于电能到电能的转换，并不能满足对可见光波段的光电高电子迁移率晶体管的需求。因此，如何利用CH₃NH₃PbI₃材料的特性来制备光电HEMT器件就变得极其重要。

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材料的N型双向HEMT器件及其制备方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的制备方法，包括：

选取衬底；

在所述衬底表面形成FTO薄膜；

在所述FTO薄膜表面制备CH₃NH₃PbI₃材料以形成第一光吸收层；

在所述第一光吸收层表面形成第一电子传输层；

在所述第一电子传输层表面形成源电极和漏电极；

在所述源电极、所述漏电极及未被所述源电极和所述漏电极覆盖的所述第一电子传输层表面形成第二电子传输层；

在所述第二电子传输层表面制备CH₃NH₃PbI₃材料以形成第二光吸收层；

在所述第二光吸收层表面形成栅电极，最终形成所述双向HEMT器件。

在本发明的一个实施例中，选取衬底，包括：

选取厚度为200μm-600μm的Al₂O₃材料作为所述衬底；或者

选取厚度为200μm-600μm的Si材料并在所述Si材料表面利用热氧化工艺形成厚度为1μm的SiO₂材料，以Si材料和SiO₂材料整体作为所述衬底。

在本发明的一个实施例中，在所述衬底表面形成FTO薄膜，包括：

将钛酸四丁酯加入至二次蒸馏水中搅拌后获取沉淀物；

将所述沉淀物加入二次蒸馏水和浓硝酸的混合液中搅拌后涂抹在所述衬底表面以形成所述FTO薄膜。

在本发明的一个实施例中，在所述FTO薄膜表面制备CH₃NH₃PbI₃材料以形成第一光吸收层，包括：

将PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中并搅拌，静置后形成CH₃NH₃PbI₃溶液；

利用单一涂抹法将所述CH₃NH₃PbI₃溶液旋涂在所述FTO薄膜表面并通过退火工艺形成所述第一光吸收层。

在本发明的一个实施例中，在所述第一光吸收层表面形成第一电子传输层，包括：

采用TiO₂作为靶材，在氩气和氧气的气氛下，利用磁控溅射工艺，在所述第一光吸收层表面制作TiO₂材料以形成所述第一电子传输层。

在本发明的一个实施例中，在所述第一电子传输层表面形成源电极和漏电极，包括：

采用第一金属材料作为靶材，在氩气气氛下，利用磁控溅射工艺，采用第一掩膜版在所述第一电子传输层表面形成所述第一金属材料以作为所述源电极和所述漏电极。

在本发明的一个实施例中，在所述源电极、所述漏电极及未被所述源电极和所述漏电极覆盖的所述第一电子传输层表面形成第二电子传输层，包括：

采用TiO₂作为靶材，在氩气和氧气的气氛下，利用磁控溅射工艺，在所述源电极、所述漏电极及未被所述源电极和所述漏电极覆盖的所述第一电子传输层表面淀积TiO₂材料以形成所述第二电子传输层。

在本发明的一个实施例中，在所述第二电子传输层表面制备CH₃NH₃PbI₃材料以形成第二光吸收层，包括：

将PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中并搅拌，静置后形成CH₃NH₃PbI₃溶液；

利用单一涂抹法将所述CH₃NH₃PbI₃溶液旋涂在所述第二电子传输层表面并通过退火工艺形成所述第二光吸收层。

在本发明的一个实施例中，在所述第二光吸收层表面形成栅电极，包括：

采用第二金属材料作为靶材，在氩气气氛下，利用磁控溅射工艺，采用第二掩膜版在所述第二光吸收层表面形成所述第二金属材料以作为所述栅电极。

本发明的另一个实施例提供了一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件，其中，所述双向HEMT器件由上述实施例中任一所述的方法制备形成。

本发明实施例的N型双向HEMT器件，相对于现有技术至少具有如下优点：

1、由于本发明的晶体管采用对称的电子传输层传输电子阻挡空穴，克服了高电子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对称的光吸收层，能吸收更多的光产生光生载流子，增强器件性能。

3、由于本发明的晶体管采用在透明的蓝宝石生长透明的导电玻璃FTO作为底部栅电极，能实现上下光照都能照射到光吸收层，增强器件性能。

4、由于本发明的晶体管采用对称的电子传输层传输电子阻挡空穴，能传输更多的电子，增强器件性能。

5、本发明的晶体管采用由CH₃NH₃PbI₃向沟道提供大量的电子，形成双向HEMT高电子迁移率晶体管，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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的制备方法流程示意图；

图4a-图4h为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的制备方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种第一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

传统的HEMT高电子迁移率晶体管工艺复杂且成本高，而基于CH₃NH₃PbI₃材料的HEMT制备简单，成本低；传统的无机HEMT高电子迁移率晶体管都是属于电能到电能的转换，并不能满足对可见光波段的光电高电子迁移率晶体管的需求，而CH₃NH₃PbI₃材料兼具有机/无机材料的性质和本身优异的光电特性，可以很好的满足市场对可见光波段的光电高电子迁移率晶体管的需求，基于CH₃NH₃PbI₃材料的HEMT可以通过光照产生大量的光生载流子实现电能加光能到电能的转换，提升转换效率。另外，基于CH₃NH₃PbI₃材料的HEMT可以通过栅控加光控实现双控，并且可以通过控制光强，实现从光的方面提升效率。CH₃NH₃PbI₃材料的双向HEMT高电子迁移率晶体管可以通过上下光照增强光的利用率，进而得到更高效率的HEMT器件。

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材料的N型双向HEMT器件的截面示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的俯视示意图。本发明的双向HEMT包括：衬底1、导电玻璃2、光吸收层3、电子传输层4、源漏电极5、电子传输层6、光吸收层7、栅电极8。衬底1、导电玻璃2、光吸收层3、电子传输层4、源漏电极5、电子传输层6、光吸收层7、栅电极8的材料按顺序由下至上竖直分布，形成多层对称结构，构成双向高电子迁移率晶体管。

所述的衬底1可采用蓝宝石衬底；所述的源漏电极5可采用金材料；所述的电子传输层4、6可采用TiO₂材料；所述的光吸收层3、7可采用CH₃NH₃PbI₃材料；所述的导电玻璃2可采用FTO材料；所述的栅电极8可采用金材料。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃材料的N型双向HEMT器件的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：

步骤1、选取衬底；

步骤2、在所述衬底表面形成FTO薄膜；

步骤3、在所述FTO薄膜表面制备CH₃NH₃PbI₃材料以形成第一光吸收层；

步骤4、在所述第一光吸收层表面形成第一电子传输层；

步骤5、在所述第一电子传输层表面形成源电极和漏电极；

步骤6、在所述源电极、所述漏电极及未被所述源电极和所述漏电极覆盖的所述第一电子传输层表面形成第二电子传输层；

步骤7、在所述第二电子传输层表面制备CH₃NH₃PbI₃材料以形成第二光吸收层；

步骤8、在所述第二光吸收层表面形成栅电极，最终形成所述双向HEMT器件。

对于步骤1，可以包括：

选取厚度为200μm-600μm的Al₂O₃材料作为所述衬底；或者

选取厚度为200μm-600μm的Si材料并在所述Si材料表面利用热氧化工艺形成厚度为1μm的SiO₂材料，以Si材料和SiO₂材料整体作为所述衬底。

对于步骤2，可以包括：

步骤21、将钛酸四丁酯加入至二次蒸馏水中搅拌后获取沉淀物；

步骤22、将所述沉淀物加入二次蒸馏水和浓硝酸的混合液中搅拌后涂抹在所述衬底表面以形成所述FTO薄膜。

对于步骤3，可以包括：

步骤31、将PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中并搅拌，静置后形成CH₃NH₃PbI₃溶液；

步骤32、利用单一涂抹法将所述CH₃NH₃PbI₃溶液旋涂在所述FTO薄膜表面并通过退火工艺形成所述第一光吸收层。

对于步骤4，可以包括：

采用TiO₂作为靶材，在氩气和氧气的气氛下，利用磁控溅射工艺，在所述第一光吸收层表面制作TiO₂材料以形成所述第一电子传输层。

对于步骤5，可以包括：

采用第一金属材料作为靶材，在氩气气氛下，利用磁控溅射工艺，采用第一掩膜版在所述第一电子传输层表面形成所述第一金属材料以作为所述源电极和所述漏电极。其中，所述第一金属材料可以为Au，也可以是Ag、Pt等化学性质稳定的金属，或者可以采用Al、Ti或Ni等成本低的金属。

对于步骤6，可以包括：

采用TiO₂作为靶材，在氩气和氧气的气氛下，利用磁控溅射工艺，在所述源电极、所述漏电极及未被所述源电极和所述漏电极覆盖的所述第一电子传输层表面淀积TiO₂材料以形成所述第二电子传输层。

对于步骤7，可以包括：

步骤71、将PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中并搅拌，静置后形成CH₃NH₃PbI₃溶液；

步骤72、利用单一涂抹法将所述CH₃NH₃PbI₃溶液旋涂在所述第二电子传输层表面并通过退火工艺形成所述第二光吸收层。

对于步骤8，可以包括：

采用第二金属材料作为靶材，在氩气气氛下，利用磁控溅射工艺，采用第二掩膜版在所述第二光吸收层表面形成所述第二金属材料以作为所述栅电极。其中，第二金属材料可以为Au、Ag、Pt等化学性质稳定的金属，也可以为Al、Ti或Ni等成本低的金属。

本发明实施例，通过采用对称的光吸收层，能吸收更多的光产生光生载流子，增强器件性能；另外，采用在透明的蓝宝石生长透明的导电玻璃FTO作为底部栅电极，能实现上下光照都能照射到光吸收层，增强器件性能；再次，采用由CH₃NH₃PbI₃向沟道提供大量的电子，形成双向HEMT高电子迁移率晶体管，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。

实施例二

请一并参见图4a-图4h及图5和图6，图4a-图4h为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的N型双向HEMT器件的制备方法示意图；图5为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种第二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材料的N型双向HEMT器件的制备方法进行详细说明如下：

步骤1：请参见图4a，准备蓝宝石Al₂O₃衬底1，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，有效的防止双向HEMT高电子迁移率晶体管的纵向漏电。

衬底可选用200μm-600μm硅衬底热氧化1μm的SiO₂替代，但替代后绝缘效果变差，且制作过程更为复杂。

步骤2：请参见图4b，在步骤1所准备的蓝宝石衬底1上使用溶胶法制备导电玻璃FTO 2。具体地，该导电玻璃FTO 2的厚度可以为100～300nm。

将5～16ml钛酸四丁酯加入到20～75ml二次蒸馏水中，搅拌反应3～5h。将得到的沉淀过滤，反复洗涤后转移至三口烧瓶中，加入100～300ml二次蒸馏水和3ml浓硝酸，于60～90℃搅拌24～48h，即得到透明的FTO溶胶。

步骤3：请参见图4c，在步骤2所制备的导电玻璃FTO 2上旋涂CH₃NH₃PbI₃材料光吸收层3。

采用单一旋涂法在步骤2所得FTO导电玻璃上旋涂CH₃NH₃PbI₃光吸收层3。具体地，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2所得的导电玻璃上，在100摄氏度下退火20分钟，形成CH₃NH₃PbI₃光吸收层，光吸收层厚度为200～300nm。

步骤4：请参见图4d，在光吸收层3上采用磁控溅射工艺或者原子层沉积工艺淀积TiO₂材料的电子传输层4。

磁控溅射工艺中所用靶材为纯度质量百分比>99.99％的TiO₂靶，靶直径为50mm，厚度为1.5-3mm，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，真空度为1.3×10^-3-3×10^-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60-80W，生长结束后再经过70℃至150℃的退火处理，由此在光吸收层上制备TiO₂电子传输层，传输层厚度为50-200nm。

步骤5：请参见图4e及图5，使用第一掩膜版，在CH₃NH₃PbI₃光吸收层4上磁控溅射采用金材料制备的源漏电极5。

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5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6：请参见图4f，采用磁控溅射工艺或者原子层沉积工艺淀积TiO₂材料的电子传输层6。

以磁控溅射工艺为例：磁控溅射工艺中所用靶材为纯度质量百分比>99.99％的TiO₂靶，靶直径为50mm，厚度为1.5-3mm，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，真空度为1.3×10^-3～3×10^-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60-80W，生长结束后再经过70℃至150℃的退火处理，由此在衬底和源漏电极上制备TiO₂电子传输层，传输层厚度为150-500nm。

步骤7：请参见图4g，在电子传输层TiO₂上旋涂CH₃NH₃PbI₃材料的光吸收层7。

采用单一旋涂法在步骤7所得TiO₂电子传输层上旋涂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；将CH₃NH₃PbI₃溶液滴加到步骤6所得的TiO₂薄膜上，在100摄氏度下退火20分钟，形成CH₃NH₃PbI₃光吸收层，光吸收层厚度为200-300nm。

步骤8：请参见图4h及图6，使用第二掩膜版，在CH₃NH₃PbI₃光吸收层7上磁控溅射金材料的栅电极8。

采用磁控溅射工艺在步骤7所得光吸收层CH₃NH₃PbI₃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。

栅电极8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。

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。