基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的反射增强互补型HEMT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材料的反射增强互补型HEMT及其制备方法。

背景技术：

互补型HEMT是由N型HEMT和P型HEMT组合的集成器件。而HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。高迁移率的二维电子气(2-DEG)存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不"冻结"，所以HEMT有很好的低温性能，可用于低温研究工作(如分数量子Hall效应)中。同时，HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。

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HEMT提出了新的要求。而有机/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互补型HEMT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材料的反射增强互补型HEMT及其制备方法。

本发明的一个实施例提供了一种基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增强互补型HEMT的制备方法，包括：

选取蓝宝石衬底；

在所述蓝宝石衬底下表面形成反射层；

在所述蓝宝石衬底上表面形成隔离区；

在所述蓝宝石衬底上表面形成源漏电极；

在所述蓝宝石衬底上表面沿所述隔离区一侧的生长电子传输层；

在所述蓝宝石衬底上表面沿所述隔离区另一侧的生长空穴传输层；

在整个衬底上表面生长CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料形成光吸收层；

在整个衬底上表面生长形成栅电极材料，以形成所述反射增强互补型HEMT。

在本发明的一个实施例中，在所述蓝宝石衬底下表面形成反射层，包括：

利用磁控溅射工艺，在所述蓝宝石衬底下表面溅射Ag材料形成所述反射层。

在本发明的一个实施例中，在所述蓝宝石衬底上表面形成隔离区，包括：

采用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述蓝宝石衬底上表面生长SiO₂材料，形成所述隔离区。

在本发明的一个实施例中，在所述蓝宝石衬底上表面形成源漏电极，包括：

采用第二掩膜版，利用磁控溅射工艺在包括隔离区的所述蓝宝石衬底上表面生长Au材料形成所述源漏电极。

在本发明的一个实施例中，在所述蓝宝石衬底上表面沿所述隔离区一侧的生长电子传输层，包括：

采用第三掩膜版，利用磁控溅射工艺，以TiO₂材料作为靶材，在Ar和O₂的气体环境，溅射功率为60～80W下，在所述隔离区一侧的所述蓝宝石衬底上表面溅射TiO₂材料，形成所述电子传输层。

在本发明的一个实施例中，在所述蓝宝石衬底上表面沿所述隔离区另一侧的生长空穴传输层，包括：

采用第四掩膜版，利用单一旋涂工艺，将Spiro-OMeTAD溶液滴加到在所述隔离区另一侧的所述蓝宝石衬底上表面并进行旋涂，形成所述空穴传输层。

在本发明的一个实施例中，在整个衬底上表面生长CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料形成光吸收层，包括：

利用单一旋涂工艺，采用第五掩膜版，将CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照体积比为100:1的比例滴加在包括电子传输层和所述空穴传输层的所述蓝宝石衬底表面，退火处理后形成所述光吸收层。

在本发明的一个实施例中，将CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照体积比为100:1的比例滴加在包括电子传输层和所述空穴传输层的所述蓝宝石衬底表面，包括：

将PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液；

将PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液搅拌后静置得到所述CH₃NH₃PbI₃溶液；

将所述CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照体积比为100:1混合形成所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料；

所述采用所述第五掩膜版，利用单一旋涂法在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料。

在本发明的一个实施例中，在整个衬底上表面生长形成栅电极材料，包括：

采用第六掩膜版，利用磁控溅射工艺，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材料的反射增强互补型HEMT，其中，所述反射增强互补型HEMT由上述实施例中任一所述的方法制备形成。

本发明实施例，具备如下优点：

1、由于本发明的晶体管采用电子传输层传输电子阻挡空穴，空穴传输层传输空穴阻挡电子，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、本发明的晶体管采用在衬底背面镀银形成反射层，导致器件可以增强对光的再利用，提高了光的利用率；

3、本发明的晶体管采用由CH₃NH₃PbI₃材料向沟道提供大量的电子或空穴，由于形成衬底镀银反射增强型互补型HEMT高电子迁移率晶体管，具有迁移率高，开关速度快，光利用率高，光电转换效率大的优点；

4、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材料的反射增强互补型HEMT的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增强互补型HEMT的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增强互补型HEMT的制备方法示意图；

图4a-图4h为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增强互补型HEMT的制备流程示意图；

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；

图7为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种第五掩膜版的结构示意图；以及

图10为本发明实施例提供的一种第六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材料的反射增强互补型HEMT的截面示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增强互补型HEMT的俯视示意图。该反射增强互补型HEMT包括：蓝宝石衬底1、反光层2、隔离区3、源漏电极4、电子传输层5、空穴传输层6、光吸收层7、栅电极8。蓝宝石衬底1、反光层2、隔离沟槽3、源漏电极4、电子传输层5、空穴传输层6、光吸收层7、栅电极8大致上依次层叠，形成多层互补结构，构成反射增强互补型高电子迁移率晶体管。所述反光层2例如采用银材料；所述隔离区3例如采用SiO₂材料；所述源漏电极4例如采用金材料；所述电子传输层5例如采用TiO₂材料；所述空穴传输层6例如采用Spiro-OMeTAD材料；所述光吸收层7例如采用CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料；所述的栅电极8例如采用Au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材料的反射增强互补型HEMT的制备方法示意图。该方法包括如下步骤：

步骤a、选取蓝宝石衬底；

步骤b、在所述蓝宝石衬底下表面形成反射层；

步骤c、在所述蓝宝石衬底上表面形成隔离区；

步骤d、在所述蓝宝石衬底上表面形成源漏电极；

步骤e、在所述蓝宝石衬底上表面沿所述隔离区一侧的生长电子传输层；

步骤f、在所述蓝宝石衬底上表面沿所述隔离区另一侧的生长空穴传输层；

步骤g、在整个衬底上表面生长CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料形成光吸收层；

步骤h、在整个衬底上表面生长形成栅电极材料，以形成所述反射增强互补型HEMT。

其中，对于步骤b，可以包括：

利用磁控溅射工艺，在所述蓝宝石衬底下表面溅射Ag材料形成所述反射层。

对于步骤c，可以包括：

采用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述蓝宝石衬底上表面生长SiO₂材料，形成所述隔离区。

对于步骤d，可以包括：

采用第二掩膜版，利用磁控溅射工艺在包括隔离区的所述蓝宝石衬底上表面生长Au材料形成所述源漏电极。

对于步骤e，可以包括：

采用第三掩膜版，利用磁控溅射工艺，以TiO₂材料作为靶材，在Ar和O₂的气体环境，溅射功率为60～80W下，在所述隔离区一侧的所述蓝宝石衬底上表面溅射TiO₂材料，形成所述电子传输层。

对于步骤f，可以包括：

采用第四掩膜版，利用单一旋涂工艺，将Spiro-OMeTAD溶液滴加到在所述隔离区另一侧的所述蓝宝石衬底上表面并进行旋涂，形成所述空穴传输层。

其中，步骤g可以包括：

利用单一旋涂工艺，采用第五掩膜版，将CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照体积比为100:1的比例滴加在包括电子传输层和所述空穴传输层的所述蓝宝石衬底表面，退火处理后形成所述光吸收层。

具体可以包括：

将PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI₂和CH₃NH₃I 的混合溶液；

将PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液搅拌后静置得到所述CH₃NH₃PbI₃溶液；

将所述CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照体积比为100:1混合形成所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料；

所述采用所述第五掩膜版，利用单一旋涂法在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料。

其中，步骤h可以包括：

采用第六掩膜版，利用磁控溅射工艺，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，在所述光吸收层表面溅射Au材料形成所述栅电极。

本发明实施例，通过采用电子传输层传输电子阻挡空穴，空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了HEMT中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。另外，本发明的HEMT由CH₃NH₃PbI₃向沟道提供大量的电子或空穴，并采用在衬底上镀银形成反射层增强光的利用率，形成互补型HEMT高电子迁移率晶体管，具有迁移率高，开关速度快，光电转换效率大的优点。最后，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。

实施例二

请参见图4a-图4h及图5至图10，图4a-图4h为本发明实施例提供的一种基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增强互补型HEMT的制备流程示意图，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；图7为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图；图9为本发明实施例提供的一种第五掩膜版的结构示意图；以及图10为本发明实施例提供的一种第六掩膜版的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明反射增强互补型HEMT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理由为：由于其价格低廉，且绝缘性能好，有效地防止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。

步骤2：请参见图4b，在蓝宝石衬底下表面磁控溅射银材料形成反光层。

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，在步骤2所准备的蓝宝石衬底上使用第一掩膜版，通过磁控溅射隔离沟槽SiO₂。

所用靶材为纯度质量百分比>99.99％的SiO₂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，由此在衬底上制备SiO₂隔离沟槽，厚度>1μm。

步骤4：请参见图4d及图6，在步骤3所准备的蓝宝石衬底上隔离沟槽两侧使用第二掩膜版，通过磁控溅射源漏电极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，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5：请参见图4e及图7，在步骤4所准备的蓝宝石衬底和源漏电极上使用第三掩膜版在左侧部分生长电子传输层TiO₂材料。

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50～200nm。

步骤6：请参见图4f及图8，在步骤4所准备的蓝宝石衬底和源漏电极上使用第四掩膜版在右侧旋涂空穴传输层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溶液滴加到步骤3所准备的蓝宝石衬底和源漏电极上，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7：请参见图4g及图9，使用第五掩膜版，在电子传输层和空穴传输层上旋涂光吸收层CH₃NH₃PbI₃材料。

采用单一旋涂法在步骤6所得电子传输层和空穴传输层上旋涂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5形成的电子传输层和步骤6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8：请参见图4h及图10，使用第六掩膜版，在光吸收层上磁控溅射栅电极金材料，最终形成该反射增强互补型HEMT。

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。