一种基于CH3NH3PbI3和Al2O3材料的MOS电容光敏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和al2o3材料的mos电容光敏器件及其制备方法。

背景技术：

近年来，有机-无机复合钙钛矿材料由于优秀的光电特性，如光吸收能力强、电子空穴对结合能低、载流子扩散长度长，以及制备工艺简单、制备成本低等经济优势，在太阳能电池领域受到越来越多的研究。从2009年miyasaka等人第一次将钙钛矿作为光吸收剂应用在太阳能电池中，到2019年短短几年时间，电池转换效率已经从3.8％提高到23.7％。

到目前为止，基于有机-无机复合钙钛矿材料制备的光电探测器主要有三种结构：光电导结构、光电二极管结构和光电晶体管结构。这三种结构的探测器通常采用sio2绝缘材料作为栅介质材料以形成mos器件。

但是，随着集成电路的飞速发展，器件的特征尺寸越来越小。而以sio2绝缘材料作为栅介质材料的mos器件中，sio2绝缘材料的厚度通常为几百纳米，导致器件的整体厚度较厚，不利于mos器件的小型化设计；而且，以sio2绝缘材料作为栅介质材料的mos器件的暗态电流通常都较大，并且器件的响应速度较慢，不符合半导体产业低功耗的发展趋势。

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和al2o3材料的mos电容光敏器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的制备方法，包括步骤：

在衬底的第一面生长al2o3材料，形成栅介质层；

在所述栅介质层上生长ch3nh3pbi3材料，形成光吸收层；

在所述光吸收层上生长第一电极；

在所述衬底的第二面生长第二电极。

在本发明的一个实施例中，所述衬底的材料为si，所述衬底的厚度为300～500μm。

在本发明的一个实施例中，在衬底的第一面生长al2o3材料，形成栅介质层之前，还包括：

对所述衬底进行羟基化处理，使羟基团吸附在所述衬底的所述第一面。

在本发明的一个实施例中，在衬底的第一面生长al2o3材料，形成栅介质层，包括：

利用原子淀积技术，在所述衬底的所述第一面生长7～13nm厚的al2o3材料，形成所述栅介质层。

在本发明的一个实施例中，利用原子淀积技术，在所述衬底的所述第一面生长7～13nm厚的al2o3材料，形成所述栅介质层，包括：

将三甲基铝分子通入反应室，使所述三甲基铝与所述羟基团反应生成al-ch3，使所述al-ch3沉积在所述衬底的所述第一面；

将水蒸气通入反应室，使所述水蒸气与所述al-ch3反应生成甲烷和al2o3，形成所述栅介质层。

在本发明的一个实施例中，在所述栅介质层上生长ch3nh3pbi3材料，形成光吸收层，包括：

利用溶液旋涂工艺，在所述栅介质层上旋涂ch3nh3pbi3溶液，形成所述光吸收层。

在本发明的一个实施例中，利用溶液旋涂工艺，在所述栅介质上旋涂ch3nh3pbi3溶液，形成所述光吸收层，包括：

将pbi2和ch3nh3i混合溶于dmf溶液中，搅拌静置后形成所述ch3nh3pbi3溶液；

利用单一溶液旋涂工艺，在所述栅介质层上旋涂所述ch3nh3pbi3溶液，并对旋涂后的器件进行退火处理，形成所述光吸收层。

在本发明的一个实施例中，在所述光吸收层上生长第一电极，包括：

利用磁控溅射工艺，选用质量比纯度大于99.995％的au作为溅射靶材，质量百分比纯度大于99.999％的氩气作为溅射气体，在真空度为6.5×10^-3pa、氩气流量为25cm³/s、溅射靶材基距为8cm、工作电流为2a、功率为20w的条件下，采用掩模版在所述光吸收层上溅射au材料，形成第一电极；

其中，所述第一电极的厚度为130～170nm。

在本发明的一个实施例中，在所述衬底的第二面生长第二电极，包括：

利用磁控溅射工艺，选用质量比纯度大于99.99％的al作为溅射靶材，质量百分比纯度大于99.999％的氩气作为溅射气体，在真空度为6.5×10^-3pa、氩气流量为25cm³/s、溅射靶材基距为8cm、工作电流为2a、功率为20w的条件下，在所述衬底的第二面溅射al材料，形成第二电极；

其中，所述第二电极的厚度为130～170nm。

本发明的另一个实施例提供了一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件，由如本发明实施例中所述的制备方法制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的mos电容光敏器件采用al2o3材料作为栅介质层，al2o3材料为高k栅介质材料，高k栅介质材料使器件在暗态条件下几乎不导通，从而暗态下第一电极与第二电极之间的电流极小，大幅度减少了栅泄漏电流，降低了器件的功耗，提高了器件的光敏特性，有利于减小mos器件的特征尺寸，实现mos器件的小型化设计。

2、本发明的mos电容光敏器件al2o3栅介质层的厚度远小于sio2栅介质层的厚度，使得mos电容光敏器件的整体厚度较小，有利于实现器件的小型化设计，同时栅介质层厚度较小时，载流子容易响应电压的变化，从而提升了器件的响应速度。

3、本发明的mos电容光敏器件采用ch3nh3pbi3材料作为光吸收层，ch3nh3pbi3材料具有优异的电学特性以及很高的光吸收系数，使器件在光照时的电流强度远高于暗态时的电流强度，从而得到低功耗、高灵敏度的mos电容光敏器件。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的制备方法的流程示意图；

图2a-图2e为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的制备方法的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种掩模版的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的结构示意图；

图5为图4提供的基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的俯视图；

图6a-图6b为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件在暗态和光照下的电流-电压曲线图；

图7a-图7d为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件在暗态和光照下的电流-电压拟合曲线图；

图8为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件在不同光照强度的i-t曲线对比图。

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，图1为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的制备方法的流程示意图，包括步骤：

在衬底的第一面生长al2o3材料，形成栅介质层；

在栅介质层上生长ch3nh3pbi3材料，形成光吸收层；

在光吸收层上生长第一电极；

在衬底的第二面生长第二电极。

具体地，请参见图2a-图2e，图2a-图2e为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的制备方法的示意图，具体步骤如下：

s1、选取衬底201；请参见图2a。

具体地，衬底201的材料为si。选取块体硅材料；块体硅材料包括衬底层，其中衬底201材料si的晶向为<100>，大小为4英寸，厚度为300～500μm，电阻率为0.0015ωcm，掺杂类型为n型。

所选取的衬底201具体第一面a和第二面b，在本发明实施例中，第一面a可以为衬底201的正面，第二面b可以为衬底201的背面；其中，正面是指将衬底201水平放置，朝上的一面为正面，朝下的一面为背面。

s2、对所述衬底201进行羟基化处理，使羟基团吸附在衬底201的第一面a。

s3、在衬底201的第一面a生长al2o3材料，形成栅介质层202；请参见图2b。

具体的，利用原子淀积技术(atomiclayerdeposition，简称ald)，在衬底201的第一面a生长7～13nm厚的al2o3材料，形成栅介质层202。

进一步，利用ald方法生长al2o3材料的具体过程为：

s31、将三甲基铝分子通入反应室，使所述三甲基铝与所述羟基团反应生成al-ch3，使所述al-ch3沉积在所述衬底201的所述第一面a。

将三甲基铝(tma)分子通入反应室，使tma分子与吸附在衬底201第一面a的羟基团反应生成铝原子和甲基团(al-ch3)，并使al-ch3沉积在衬底201的第一面a；然后往反应室通入氧气吹扫反应室，去除多余的反应物。

s32、将水蒸气通入反应室，使所述水蒸气与所述al-ch3反应生成甲烷和al2o3，形成所述栅介质层202。

将水蒸气通入反应室，使水蒸气和al-ch3反应生成甲烷和al2o3，生成的al2o3吸附在衬底201表面；然后往反应室通入惰性气体吹扫去除多余的反应物，形成栅介质层202。

本实施例中的采用al2o3材料作为栅介质层202，al2o3材料为高k栅介质层材料，高k栅介质材料使器件在暗态条件下几乎不导通，从而暗态下第一电极204与第二电极205之间的电流极小，大幅度减少了栅泄漏电流，降低了器件的功耗，提高了器件的光敏特性，有利于减小mos器件的特征尺寸，实现mos器件的小型化设计。

本实施例中，al2o3栅介质层202的厚度仅为7～13nm，而采用sio2作为栅介质层时，sio2栅介质层的厚度通常达到几百纳米，al2o3栅介质层202的厚度远小于sio2栅介质层的厚度，从而使得mos电容光敏器件的整体厚度较小，有利于实现器件的小型化设计，同时栅介质层202厚度较小时，载流子容易响应电压的变化，从而提升了器件的响应速度。

s4、在所述栅介质层202上生长ch3nh3pbi3材料，形成光吸收层203；请参见图2c。

具体地，利用溶液旋涂工艺，在栅介质层202上旋涂ch3nh3pbi3溶液，形成光吸收层203。其具体步骤如下：

s41、将pbi2和ch3nh3i混合溶于dmf溶液中，搅拌静置后形成所述ch3nh3pbi3溶液。

将摩尔质量比为3:1的pbi2和ch3nh3i混合后溶于二甲基甲酰胺(dmf)溶液中；将混合溶液在80℃温度下搅拌100～120分钟，得到搅拌后的溶液；然后将搅拌后的溶液在80℃温度下静置60～70分钟，得到ch3nh3pbi3溶液。

本实施例中相比于pbi2和ch3nh3i的其他配比方式，选用摩尔质量比为3:1的pbi2和ch3nh3i混合得到的ch3nh3pbi3光吸收层具有良好的光吸收度。

本实施例采用ch3nh3pbi3材料作为光吸收层203，ch3nh3pbi3材料具有优异的电学特性以及很高的光吸收系数，使器件在光照时的电流强度远高于暗态时的电流强度，从而得到低功耗、高灵敏度的mos电容光敏器件。

s42、利用单一溶液旋涂工艺，在所述栅介质层202上旋涂所述ch3nh3pbi3溶液，并对旋涂后的器件进行退火处理，形成所述光吸收层203。

利用单一溶液旋涂工艺，在栅介质层202上表面将ch3nh3pbi3溶液以2000rmp的速率旋涂到al2o3栅介质层202上，旋涂时间为30～40秒，接着将旋涂后的器件在90℃温度下热退火50～60分钟，形成光吸收层203。

本实施例中，将旋涂后的器件在90℃的温度下进行退火处理，可以最大程度减小生成的ch3nh3pbi3光吸收层203的内部缺陷。

s5、在所述光吸收层203上生长第一电极204；请参见图2d。

具体地，利用磁控溅射工艺，选用质量比纯度>99.995％的au作为溅射靶材，以质量百分比纯度大于99.999％的氩气作为溅射气体通入反应腔室内，在真空度为6.5×10^-3pa、氩气流量为25cm³/s、溅射靶材基距为8cm、工作电流为2a、功率为20w的条件下，采用掩模版在光吸收层203上溅射au材料，形成第一电极204；请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种掩模版的结构示意图。其中，第一电极204的厚度为130～170nm。

s6、在所述衬底201的第二面b生长第二电极205；请参见图2e。

具体地，利用磁控溅射工艺，选用质量比纯度>99.99％的al作为溅射靶材，以质量百分比纯度大于99.999％的氩气作为溅射气体通入反应腔室内，在在真空度为6.5×10^-3pa、氩气流量为25cm³/s、溅射靶材基距为8cm、工作电流为2a、功率为20w的条件下，在衬底201的第二面b溅射al材料，生成第二电极205。其中，第二电极205的厚度130～170nm。

需要说明的是，本发明实施例制备方法的步骤s5和步骤s6互不影响，可以根据实际工艺流程进行互换；也就是说，在制备过程中，可以先生长第二电极205，后生长第一电极204；也可以先生长第一电极204，后生长第二电极205。

本实施例中，采用al2o3栅介质层202与ch3nh3pbi3光吸收层203相结合的形式，不仅使得mos电容光敏器件的特征尺寸更小、器件响应速度更高，而且使得mos电容光敏器件的功耗较低、灵敏度更高。

实施例二

请参见图4和图5，图4为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的结构示意图，图5为图4提供的基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的俯视图。

该mos电容光敏器件包括：第二电极205、衬底201、栅介质层202、光吸收层203和第一电极204。

其中，第二电极205的材料为al，厚度为150nm。

衬底201位于第二电极205上。衬底205的材料为si，si材料的晶向为<100>，大小为4英寸，厚度为400μm，电阻率为0.0015ωcm，掺杂类型为n型

栅介质层202位于衬底201上。栅介质层202的材料为al2o3，厚度为10nm。

光吸收层203位于栅介质层202上。光吸收层203的材料为ch3nh3pbi3。

第一电极204位于光吸收层203上。第一电极204的材料为au，厚度为150nm。

对上述mos电容光敏器件在暗态和光照进行电流测试，得到该mos电容光敏器件在暗态和光照条件下的电流-电压关系。其中，电流测试的具体方法为：第一电极接地，对第二电极施加扫描测试电压，扫描范围为0v→1v，扫描速率为20mv/s。

请参见图6a-图6b，图6a-图6b为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件在暗态和光照下的电流-电压曲线图，其中，图6a为暗态下的i-v扫描曲线，图6b为10mw/cm²光照强度下的i-v扫描曲线。

对比图6a和图6b可以看出，当电压相同时，上述mos电容光敏器件在暗态条件下电流强度非常低，而在光照条件下电流强度显著增大，增大了将近三个数量级。图6中还可以看出，当mos电容光敏器件的栅介质层采用al2o3后，无论暗态或者光照条件，电流和电压都不再是线性关系。

为进一步研究栅介质层采用al2o3后mos电容光敏器件的漏电输运机制，对电流-电压曲线进行拟合得到肖特基发射机制拟合曲线。请参见图7a-图7d，图7a-图7d为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件在暗态和光照下的电流-电压拟合曲线图，其中，图7a为暗态下的i-v曲线，图7b为暗态下肖特基发射机制拟合曲线，图7c为10mw/cm²光照强度下的i-v曲线，图7d为10mw/cm²光照强度下肖特基发射机制拟合曲线。

对比图7a、7b、7c和7d可以看到，当电压较小时，电流和电压为线性关系，表明mos电容光敏器件的漏电流以欧姆机制和离子导电机制为主；当电压较小时，ln(j)与(e)^1/2成线性关系，表明此时漏电流以肖特基发射机制为主。在暗态下，欧姆机制和离子导电机制的电压区间为0v到0.5v，光照后增大到1.2v，表明光照后载流子浓度提高，有助于欧姆机制的发生。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种基于ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件在不同光照强度的i-t曲线对比图。

图8表明，相比采用300nm的sio2栅介质层的mos电容光敏器件，采用ch3nh3pbi3和al2o3材料的mos电容光敏器件的al2o3栅介质层的厚度降低，载流子容易响应电压的变化，从而器件的响应时间大幅度降低。

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。