本实用新型涉及光探测器领域，尤其涉及一种钙钛矿光电晶体管器件。
背景技术：
金属氧化物半导体薄膜晶体管，尤其是铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管具有稳定、高迁移率、透明、均一性佳等特点，广泛应用于显示面板阵列和探测器阵列中，但是IGZO材料由于其禁带宽度较大(>3eV)，对于420nm以上的可见光波段无明显响应。有机无机杂化钙钛矿材料具有较宽的光吸收范围、载流子迁移率高、载流子产生速度快、载流子扩散长度长、载流子寿命长等特点，有机无机杂化钙钛矿材料优异的光吸收特性使得其在光电探测器领域也有很广泛的应用。为了实现光电探测效应，可以将有机无机杂化钙钛矿材料与金属氧化物晶体管结合制备一种新型的光电探测器。
在实现本实用新型过程中，实用新型人发现现有技术中至少存在如下问题：有机无机杂化钙钛矿材料与金属氧化物直接接触，钙钛矿材料的离子进入到以IGZO为代表的金属氧化物层中，带来IGZO材料特性的恶化；光电晶体管的暗电流较大。
技术实现要素：
本实用新型实施例提供一种钙钛矿光电晶体管，将图形化的有机无机杂化钙材料通过致密的电荷传输界面层与金属氧化物半导体薄膜分隔开，且与源漏金属电极与金属氧化物半导体薄膜共平面的结构相结合，提供了具有暗电流低，响应速度快，宽光谱响应的光电晶体管，并且制备工艺简单，器件成功率高，在光探测器领域潜力极大。
本实用新型实施例提供了一种钙钛矿光电晶体管，所述钙钛矿光晶体管包括：基础衬底，位于基础衬底上的源漏金属电极，金属氧化物半导体薄膜，所述金属氧化物半导体薄膜上覆盖有电荷传输界面层，所述电荷传输界面层上方设有图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层，所述电荷传输界面层至少将图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层与源漏金属电极、金属氧化物半导体薄膜分隔开，所述衬底的上方设有一层钝化层，所述钝化层将所述电荷传输界面层、所述图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层全部覆盖。
上述技术方案具有如下有益效果：本实用新型实施例采用金属氧化物半导体作为光电晶体管沟道材料，有机无机杂化钙钛矿作为光吸收层材料，致密的电荷传输界面层将图形化的有机无机杂化钙钛矿层与源漏金属电极、金属氧化物半导体薄膜分隔开，制备出金属氧化物半导体与钙钛矿材料叠层且被电荷传输界面层分隔结构的晶体管，不仅利用了以IGZO为代表的金属氧化物半导体的稳定、高迁移率、透明、均一性佳的特点，而且采用有机无机杂化钙钛矿这种性能优异的光吸收材料，利用其对可见光吸收特性强、迁移率高、载流子产生速度快的特点克服以IGZO为代表的金属氧化物半导体材料的禁带宽度较大，无法对可见光进行有效吸收的弱点，并且可通过调节钙钛矿中的Br含量来调节禁带宽度。致密的电荷传输界面层将图形化的有机无机杂化钙钛矿与金属氧化物分隔开，避免了钙钛矿层的离子进入以IGZO为代表的金属氧化物层，带来的IGZO村料特性的恶化。因此，结合金属氧化物半导体/有机无机杂化钙钛矿材料，并通过致密的电荷传输界面层将其分隔所制备的钙钛矿光电探测器能够充分结合金属氧化物半导体高迁移率和钙钛矿材料高吸光性性能制备的光电晶体管，具有暗电流降低2-3个数量级、响应速度快、宽光谱响应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例1钙钛矿光电晶体管的结构示意图；
图2是本实用新型实施例2钙钛矿光电晶体管的结构示意图；
图3是本实用新型实施例钙钛矿光电晶体管制备方法流程图；
图4是本实用新型实施例钙钛矿光电晶体管基础衬底制备方法的子流程图；
图5是本实用新型实施例1衬底上沉积栅极后的结构示意图；
图6是本实用新型实施例1栅极上沉积栅极绝缘层后的结构示意图；
图7是本实用新型实施例1栅极绝缘层上沉积源漏金属电极后的结构示意图；
图8是本实用新型实施例1源漏金属电极沟道处覆盖上金属氧化物半导体薄膜之后的结构示意图；
图9是本实用新型实施例1金属氧化物半导体薄膜覆盖上电荷传输界面层之后的结构示意图；
图10是本实用新型实施例1电荷传输界面层上淀积图形化的有机无机杂化钙钛矿层之后的结构示意图；
图11是本实用新型实施例2覆盖有二氧化硅的硅衬底上沉积源漏金属电极后的结构示意图；
图12是本实用新型实施例2源漏金属电极沟道处覆盖上金属氧化物半导体薄膜之后的结构示意图；
图13是本实用新型实施例2金属氧化物半导体薄膜覆盖上电荷传输界面层之后的结构示意图；
图14是本实用新型实施例2电荷传输界面层上淀积图形化有机无机杂化钙钛矿层之后的结构示意图；
图15为本实用新型实施例钙钛矿光电晶体管光暗条件下的转移特性曲线。
其中，图中：1－衬底，2－栅极，3－栅极绝缘层，4－源漏金属电极，5－金属氧化物半导体薄膜，6－电荷传输界面层，7－图形化的有机无机杂化钙钛矿层，8－钝化层，9－覆盖有二氧化硅的硅衬底。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，为本实用新型实施例1钙钛矿光电晶体管示意图，所述钙钛矿光电晶体管包括衬底1，位于衬底1上的栅极2，位于栅极2上的栅极绝缘层3，还包括位于栅极绝缘层3上的源漏金属电极4，金属氧化物半导体薄膜5，所述金属氧化物半导体薄膜5上覆盖有电荷传输界面层6，所述电荷传输界面层6上方设有图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7，所述电荷传输界面层6至少将图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7与源漏金属电极4、金属氧化物半导体薄膜5分隔开，衬底1的上方设有一层钝化层8，所述钝化层8将所述电荷传输界面层6、所述有机无机杂化钙钛矿材料层7全部覆盖。
如图2所示，为本实用新型实施例2钙钛矿光电晶体管示意图，所述钙钛矿光电晶体管包括覆盖有二氧化硅的硅衬底9，位于覆盖有二氧化硅的硅衬底9上的源漏金属电极4，金属氧化物半导体薄膜5，所述金属氧化物半导体薄膜5上覆盖有电荷传输界面层6，所述电荷传输界面层6上方设有图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7，所述电荷传输界面层6至少将图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7与源漏金属电极4、金属氧化物半导体薄膜5分隔开，所述覆盖有二氧化硅的硅衬底9的上方设有一层钝化层8，所述钝化层8将所述电荷传输界面层6、所述图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7全部覆盖。
优选地，所述衬底1为：硅衬底、玻璃衬底、石英衬底、聚酰亚胺PI衬底、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET衬底和聚萘二甲酸乙二醇酯PEN衬底。
优选地，所述金属电极4和金属氧化物半导体薄膜5在同一平面上，所述基础衬底上表面沉积有金属电极4，所述金属氧化物的薄膜5覆盖在金属电极4的沟道处，或者金属氧化物的薄膜5完全覆盖在金属电极。
优选地，所述电荷传输界面层6将所述基础衬底、源漏金属电极4和金属氧化物半导体薄膜5完全覆盖；
优选地，所述电荷传输界面层6致密，无孔洞；
优选地，所述电荷传输界面层6的材料为富勒烯C60、富勒烯衍生物PCBM、富勒烯衍生物ICBA、富勒烯及其衍生物与聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的共混体的一种或多种；
优选地，所述电荷传输界面层6的厚度为10nm至50nm，进一步优选地，所述电荷传输界面层的厚度为30nm、40nm、50nm。
优选地，所述图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7位于金属氧化物半导体薄膜5正上方，并且投影面积不大于所述金属氧化物半导体薄膜5；
优选地，所述图形化的有机无机杂化钙钛矿材料层7的材料的化学式为ABX3，A为CH3NH3+、NH2CHNH2+、CS+、Rb+的一种或几种，B为Pb2+、Sn2+、Ge2+、Sr2+、Cu2+、Bi3+、Sb3+的一种或几种，X包括I-、Cl-或Br-的一种或几种；
优选地，所述有机无机杂化钙钛矿7的厚度为20nm至2um；
优选地，所述有机无机杂化钙钛矿7致密，无孔洞。
优选地，所述金属氧化物半导体薄膜5的材料为铟镓锌氧化物IGZO、铟锌锡氧化物IZTO、掺铝氧化锌AZO、锌锡氧化物ZTO、镁锌氧化物MZO、铟锡氧化物ITO、铟锌氧化物IZO的一种或几种；
优选地，所述金属氧化物半导体薄膜5的厚度为10nm至100nm。
优选地，所述钝化层8的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、全氟树脂CYTOP、氧化硅SiOx、氮化硅SiNx和氧化铝Al2O3；
优选地，所述钝化层的厚度20nm至900nm。
优选地，所述栅极2和所述源漏金属电极4为钼、金、银、铝、铜材料电极；
优选地，所述栅极2和所述源漏金属电极4的形状为条块状或叉指块状；
优选地，所述栅极2和所述源漏金属电极4的厚度为30nm至200nm。
优选地，所述源漏金属电极4形成的沟道长度为1um至100um，宽度为1um至1000um。
优选地，所述栅极绝缘层3为氧化硅SiOx、氮化硅SiNx、氧化铝Al2O3或氧化铪HfO2材料；
优选地，所述栅极绝缘层3厚度为50nm至500nm。
对应于上述方法实施例，如图3所示，为本实用新型实施例钙钛矿光电晶体管制备方法流程图，所述方法包括：
201、在所述基础衬底上沉积源漏金属电极4；请同时参考图7和图11，图7是本实用新型实施例1沉积源漏金属电极4后的结构示意图，图11是本实用新型实施例2覆盖有二氧化硅的硅衬底9上沉积源漏金属电极4后的结构示意图；所述源漏金属电极4为条块状或叉指块，源漏金属电极4在基础衬底上表面的两端，如图7所示：漏金属电极4在栅极绝缘层3上，如图11所示：漏金属电极4在覆盖有二氧化硅的硅衬底9上。
202、在所述源漏金属电极4沟道处覆盖金属氧化物半导体薄膜5；请同时参考图8和图12，图8是本实用新型实施例1源漏金属电极沟道处覆盖上金属氧化物半导体薄膜之后的结构示意图，图12是本实用新型实施例2源漏金属电极沟道处覆盖上金属氧化物半导体薄膜之后的结构示意图；所述金属氧化物半导体薄膜5与源漏金属电极4有部分交叠，当然，此处金属氧化物半导体薄膜5也可以将源漏金属电极4完全覆盖。
203、在所述源漏金属电极4和金属氧化物半导体薄膜5上制备电荷传输界面层6；请同时参考图9和图13，图9是本实用新型实施例1金属氧化物半导体薄膜覆盖上电荷传输界面层之后的结构示意图，图13是本实用新型实施例2金属氧化物半导体薄膜覆盖上电荷传输界面层之后的结构示意图；
204、在所述电荷传输界面层6上制备有图形化机无机杂化钙钛矿层7，所述电荷传输界面层6至少将图形化有机无机杂化钙钛矿层7与源漏金属电极4、金属氧化物半导体薄膜5分隔开；请同时参考图10和图14，图10是本实用新型实施例1电荷传输界面层上淀积图形化的有机无机杂化钙钛矿层之后的结构示意图，图14是本实用新型实施例2电荷传输界面层上淀积图形化有机无机杂化钙钛矿层之后的结构示意图。
205、在所述基础衬底上方制备钝化层8，所述钝化层8将所述电荷传输界面层6和有机无机杂化钙钛矿层7全部覆盖，请同时参考图1和图2。
请参考图4，图4是本实用新型实施例钙钛矿光电晶体管基础衬底制备方法的子流程图：
201.1、在所述衬底1上沉积栅极2；
201.2、在所述栅极上沉积栅极绝缘层；
或者，
选择覆盖有二氧化硅的硅衬底9做基础衬底。
优选地，采用磁控溅射法将所述栅极2直接生长到衬底1上，然后，通过光刻制程形成栅极图形；
优选地，采用等离子体增强化学气相沉积法将所述栅极绝缘层3直接生长到栅极2上；
优选地，采用磁控溅射法将所述源漏金属电极4直接生长到基础衬底上，然后通过光刻制程形成源漏金属电极图形，所得沟道宽长比为10；
优选地，采用磁控溅射法将所述金属氧化物半导体薄膜5直接生长到所述金属电极4上，所述金属氧化物半导体薄膜5有源区和源漏金属电极4有一定交叠；
优选地，采用氧气氛围对器件进行退火处理，退火退火温度为100℃至450℃，退火时间0.5小时至4小时。
优选地，使用溶液加工法或真空蒸镀法在所述源漏金属电极4和金属氧化物半导体薄膜5上制备电荷传输界面层6；
优选地，所述图形化的有机无机杂化钙钛矿层7投影面积不大于所述金属氧化物半导体薄膜5；
优选地，所述图形化的有机无机杂化钙钛矿层7，首先通过真空蒸镀法在所述电荷传输界面层6上制备一层图形化的碘化铅PbI2，再通过旋涂法旋涂甲基碘化胺MAI，退火后利用异丙醇IPA旋涂清洗掉未反应的过量MAI，在所述电荷传输界面层6形成一层图形化有机无机杂化钙钛矿层7。
优选地，采用溶液旋涂法在所述有机无机杂化钙钛矿层7上制备一层钝化层8，所述钝化层将所述电荷传输界面层6和图形化的有机无机杂化钙钛层全部覆盖。
上述技术方案具有如下有益效果：本实用新型实施例采用金属氧化物半导体作为光电晶体管沟道材料，有机无机杂化钙钛矿作为光吸收层材料，致密的电荷传输界面层将图形化的有机无机杂化钙钛矿与金属氧化物分隔开，制备出金属氧化物半导体与钙钛矿材料叠层且被电荷传输界面层分隔结构的晶体管，不仅利用了以IGZO为代表的金属氧化物半导体的稳定、高迁移率、透明、均一性佳的特点，而且采用有机无机杂化钙钛矿这种性能优异的光吸收材料，利用其对可见光吸收特性强、迁移率高、载流子产生速度快的特点克服以IGZO为代表的金属氧化物半导体材料的禁带宽度较大，无法对可见光进行有效吸收的弱点，并且可通过调节钙钛矿中的Br含量来调节禁带宽度。致密的电荷传输界面层将图形化的有机无机杂化钙钛矿与金属氧化物分隔开，避免了钙钛矿层的离子进入以IGZO为代表的金属氧化物层，带来的IGZO村料特性的恶化。因此，结合金属氧化物半导体/有机无机杂化钙钛矿材料，并通过致密的电荷传输界面层将其分隔所制备的钙钛矿光电探测器能够充分结合金属氧化物半导体高迁移率和钙钛矿材料高吸光性性能；另一方面，采用源漏金属电极与金属氧化物半导体薄膜层共平面的结构，源漏金属电极位置的降低，使得光电晶体管的暗电流(10-12-10-11pA)相比于现有技术制备的光电晶体管器件(10-9-10-8pA)小2－3个数量级。本实用新型实施例提供的钙钛矿光电晶体管的制备方法，与硅基光电探测器相比具有成本低廉，制备能耗低的特点，器件制备工艺与目前硅基工艺平台具有良好的兼容性。
下面将举应用实例参考附图结合实施例详细说明本实用新型实施例上述技术方案，本实用新型应用实例新型钙钛矿光电晶体管的制备方法简述如下：
1、选择玻璃衬底或覆盖有300nm二氧化硅的硅衬底作为衬底材料，实验前衬底分别在去离子水，丙酮，异丙醇中各超声15分钟。(或者采用覆盖有300nm二氧化硅的硅衬底作为衬底，完成第1步衬底清洗后则直接跳至第4步源漏金属电极的Mo的制备)
2、栅极Mo的制备
(1)磁控溅射前准备
旋涂光刻胶，并利用光刻使有效区域裸露，无效区域均被光刻胶覆盖。
(2)Mo电极的制备
将光刻好的衬底放入磁控溅射台中，当溅射台箱内真空达到9.9×10-4Pa时，通入氩气Ar，使得腔内真空度稳定在0.36Pa，使用直流电源功率80W溅射150s，得到120nm厚的Mo薄膜，并通过剥离形成栅极图形。
3、栅绝缘层SiO2的制备
将样片放入等离子体增强化学气相淀积PECVD系统反应室中，反应室抽至高真空，反应室温度升至300℃，射频功率为30W，然后向反应室内同时通入流量为100sccm的SiH4和400sccm的N2O，压强控制在0.7Pa，生长200nm厚的SiO2薄膜。
4、源漏金属电极Mo的制备
(1)磁控溅射前准备
旋涂光刻胶，并利用光刻使有效区域裸露，无效区域均被光刻胶覆盖。
(2)Mo电极的制备
将光刻好的衬底放入磁控溅射台中，当溅射台箱内真空达到9.9×10-4Pa时，通入氩气Ar，使得腔内真空度稳定在0.36Pa，使用直流电源功率80W溅射150s，得到120nm厚的Mo薄膜，并通过剥离形成源漏图形。
5、有源层铟镓锌氧化物IGZO的制备
(1)IGZO薄膜的制备
将衬底放入磁控溅射台中，当溅射台箱内真空达到5×10-4Pa时，通入氩气Ar和氧气O2，流量比为47∶3，使用直流电源功率100W溅射300s，得到40nm厚的IGZO薄膜。
(2)IGZO的图形化
旋涂光刻胶，光刻并用稀盐酸刻蚀IGZO薄膜；采用丙酮超声去除光刻胶。
6、退火处理
将制作好金属氧化物薄膜的晶体管器件置于200℃纯氧气条件下退火处理1小时。
7、电荷传输界面层PCBM层制备
(1)PCBM氯苯前驱液的配置
PCBM浓度为20mg/mL，70℃搅拌6－12小时。
(2)完成电荷传输界面层PCBM层的制备
将搅拌好的PCBM氯苯前驱液，均匀吸附在IGZO晶体管器件上，转速为2000rpm，旋涂40s，并在加热台100℃退火10min，得到厚度为50nm至60nm的PCBM层，电荷传输界面层将源漏金属电极Mo和IGZO的金属氧化物半导体薄膜全部覆盖，电荷传输界面层均匀致密，无孔洞。
8、图形化的有机无机杂化钙钛矿层的CH3NH3PbI3层制备
(1)使用高温蒸镀的方法，利用掩膜版在PCBM层上形成图形化的PbI2层，厚度为200nm，PbI2层投影面积不大于所述金属氧化物半导体薄膜；
(2)CH3NH3I异丙醇前驱液的配置
CH3NH3I浓度为30mg/mL，70℃搅拌6－12小时。
(3)完成CH3NH3PbI3层的制备
将搅拌好的CH3NH3I异丙醇前驱液，均匀吸附在PbI2层上，转速为4000rpm，旋涂40s，并在加热台100℃下退火30min，得到厚度为300nm至350nm的CH3NH3PbI3钙钛矿层。
(4)将异丙醇均匀吸附在CH3NH3PbI3上，转速为2000rpm，转动后约5s滴加一次异丙醇溶液，旋涂60s，将未反应的过量CH3NH3I清洗干净。
9、钝化层PMMA的制备
(1)PMMA乙酸丁酯前驱液的配置
前驱液的质量分数是5％，70℃搅拌6－12小时。
(2)完成PMMA层的制备
将搅拌好的PMMA乙酸丁酯前驱液，均匀吸附在钙钛矿薄膜上，转速为4000rpm，旋涂30s，并在加热台80℃下干燥10分钟，得到厚度为700nm至900nm的均匀致密的钝化层。
实验效果：利用半导体分析仪对新型钙钛矿光电晶体管进行性能测试。
如图15所示，为本实用新型应用实例提出的钙钛矿光电晶体管在光暗条件下的转移特性曲线。源漏两端外加2V，无光照时晶体管关态电流为1.2×10-11A，在光强为2.0mW/cm2、波长为550nm的光源照射下晶体管的关态电流上升到3.0×10-8A；关态下，光暗电流比为2500。
综上可见，在IGZO晶体管上沉积一层图形化的有机无机杂化钙钛矿结构的CH3NH3PbI3层，大幅提高了探测器对可见光波段的吸收，采用共平面结构的IGZO晶体管，以常见有机电子传输层作为电荷传输界面层，采用掩膜版(shadow mask)蒸镀的方法在其上形成图案化的PbI2，再使用旋涂MAI的方法，退火后形成钙钛矿CH3NH3PbI3，此法避免了钙钛矿中的离子进入IGZO层带来的IGZO特性恶化，同时也避免了旋涂法中钙钛矿薄膜与金属源漏电极直接接触时造成暗电流较大的缺点，此法制备的光电晶体管暗电流(10-12-10-11pA)相比于旋涂法制备钙钛矿的器件小2-3个数量级(10-9-10-8pA)。
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本实用新型处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本实用新型单独的优选实施方案。
为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本实用新型，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。