基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强N型异质结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材料的衬底反光增强N型异质结HEMT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管(High Electron Mobility Transistor,简称HEMT)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HMET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材料的衬底反光增强N型异质结HEMT及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强N型异质结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光层；
在所述蓝宝石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蓝宝石衬底上表面形成电子传输层；
在所述电子传输层表面形成包括CH3NH3PbI3材料的光吸收层；
在所述光吸收层表面制作栅电极以最终形成所述N型异质结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，在所述蓝宝石衬底下表面溅射Ag材料形成所述反光层。
在本发明的一个实施例中，在所述蓝宝石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，在所述蓝宝石衬底上表面溅射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蓝宝石衬底上表面形成电子传输层，包括：
以TiO2材料作为靶材，以Ar和O2作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为1.3×10-3～3×10-3Pa，溅射功率为60～80W的条件下，在包括所述源漏电极的整个衬底的上表面溅射TiO2材料形成所述源所述电子传输层。
在本发明的一个实施例中，在所述电子传输层表面形成包括CH3NH3PbI3材料的光吸收层，包括：
利用单一旋涂工艺，在所述电子传输层表面旋涂质量浓度为8mg/ml的PCBM材料，退火处理后形成活性层；
利用单一旋涂工艺，在所述活性层表面旋涂CH3NH3PbI3材料；
利用退火工艺，对所述CH3NH3PbI3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，在所述电子传输层表面形成包括CH3NH3PbI3材料的光吸收层，包括：
利用单一旋涂工艺，将CH3NH3PbI3与PCBM的混合溶液旋涂在所述电子传输层表面形成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电子传输层表面形成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电子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材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT，其中，所述N型异质结HEMT由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例提供的N型异质结HEMT，具备如下优点：
1、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，能吸收更多的光产生光生载流子，增强器件性能。
2、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。或者，在光吸收层与电子传输层之间加入了PCBM材料，能通过钝化层之间的界面缺陷进而改善光吸收层薄膜的质量，增强器件性能。
3、由于本发明的晶体管采用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。
4、本发明的晶体管采用由CH3NH3PbI3向沟道提供大量的电子，形成衬底镀银反射增强型HEMT高电子迁移率晶体管，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。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的截面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法流程示意图；
图5a-图5f为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法示意图；
图6a-图6g为本发明实施例提供的另一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法示意图；
图7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8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材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的截面示意图；图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的俯视示意图。本发明的N型异质结HEMT包括：蓝宝石衬底1、反光层2、源漏电极3、电子传输层4、光吸收层5、栅电极6。其中，蓝宝石衬底1、反光层2、源漏电极3、电子传输层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；电子传输层4可以采用TiO2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。
可选地，请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的截面示意图。该N型异质结HMET还可以包括活性层7，该活性层7可以为PCBM材料。此时，光吸收层可以单纯采用CH3NH3PbI3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，很高的电子迁移率，与常见的聚合物给体材料形成良好的相分离，已成为有机太阳能电池的电子受体的标准物。本发明利用了这一特性，将其很巧妙的用于图1或者图3所示的HMET器件中，作为缓冲性质的活性层，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，并兼具较高的电子迁移率以及较好的导电性，是制备HEMT的理想材料。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤1、选取蓝宝石衬底；
步骤2、在所述蓝宝石衬底下表面形成反光层；
步骤3、在所述蓝宝石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蓝宝石衬底上表面形成电子传输层；
步骤5、在所述电子传输层表面形成包括CH3NH3PbI3材料的光吸收层；
步骤6、在所述光吸收层表面制作栅电极以最终形成所述N型异质结HEMT。
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，在所述蓝宝石衬底下表面溅射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，在所述蓝宝石衬底上表面溅射Au材料形成所述源漏电极。
步骤4可以包括：
以TiO2材料作为靶材，以Ar和O2作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为1.3×10-3～3×10-3Pa，溅射功率为60～80W的条件下，在包括所述源漏电极的整个衬底的上表面溅射TiO2材料形成所述源所述电子传输层。
步骤5可以包括：
步骤5-11、利用单一旋涂工艺，在所述电子传输层表面旋涂质量浓度为8mg/ml的PCBM材料，退火处理后形成活性层；
步骤5-12、利用单一旋涂工艺，在所述活性层表面旋涂CH3NH3PbI3材料；
步骤5-13、利用退火工艺，对所述CH3NH3PbI3材料进行退火处理形成所述光吸收层。
步骤5还可以包括：
步骤5-21、利用单一旋涂工艺，将CH3NH3PbI3与PCBM的混合溶液旋涂在所述电子传输层表面形成CH3NH3PbI3/PCBM材料；
步骤5-22、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5-21可以包括：
步骤5-211、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5-212、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5-213、将所述CH3NH3PbI3溶液和PCBM溶液混合后旋涂子在所述电子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向沟道提供大量的电子，在衬底下表面镀银形成反射增强型HEMT，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5a-图5f及图7和图8，图5a-图5f为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法示意图；图7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8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材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法进行详细说明如下：
步骤1：请参见图5a，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HEMT高电子迁移率晶体管的纵向漏电。
步骤2：请参见图5b，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5c及图7，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5d，在步骤3所制备的源漏电极以及未被覆盖的衬底上采用磁控溅射工艺或者原子层沉积工艺淀积电子传输层TiO2材料。
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，由此在源漏电极以及未被覆盖的衬底上制备TiO2电子传输层，传输层厚度为50～200nm。
步骤5：请参见图5e，在电子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；并按照CH3NH3PbI3：PCBM＝100：1的比例溶液滴加到步骤4所得的TiO2薄膜上，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5f及图8，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。
实施例四
请参见图6a-图6g，并一并参见图7和图8。图6a-图6g为本发明实施例提供的另一种基于CH3NH3PbI3材料的衬底反光增强的N型异质结HEMT的制备方法示意图。该方法可以包括：
步骤1：请参见图6a，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HEMT高电子迁移率晶体管的纵向漏电。
步骤2：请参见图6b，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6c及图7，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6d，在步骤3所制备的源漏电极以及未被覆盖的衬底上采用磁控溅射工艺或者原子层沉积工艺淀积电子传输层TiO2材料。
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，由此在源漏电极以及未被覆盖的衬底上制备TiO2电子传输层，传输层厚度为50～200nm。
步骤5：请参见图6e，在电子传输层上材料采用旋涂法制备一薄活性层PCBM。
在电子传输层上采用旋涂活性层，PCBM材料的质量浓度为8mg/ml,优选为16ml。活性层溶液的溶剂选用氯苯，旋涂在充满惰性气体的手套箱中进行，之后在50℃-200℃下退火10分钟-100分钟。活性层的厚度为20nm-100nm。
步骤6：请参见图6f，在活性层上采用单一旋涂法制备光吸收层。
采用单一旋涂法，在步骤5所得活性层上旋涂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5所得的活性层上，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7：请参见图6g及图8，使用第二物理掩膜版，在光吸收层上磁控溅射栅电极金材料。
采用磁控溅射工艺在步骤7所得光吸收层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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