一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管及其制备方法与流程

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

ch3nh3pbi3钙钛矿作为一种有机-无机杂化材料，是一种新型光电材料，其具有长程有序的晶体结构，兼顾有机与无机的优点。在无机组分方面，钙钛矿具有强的共价键与离子键，使其具有很高的迁移率和热稳定性以及良好的电学特性。

随着超大规模集成电路的发展，集成电路特征尺寸越来越小，场效应晶体管沟道长度也在不断缩短。随着器件沟道长度的缩短，非理想效应越来越显著，比如栅极对沟道的控制能力减弱，短沟道效应更容易发生等。近年来，为了减少这些问题，相关领域科研人员改进场效应晶体管性能的主要研究方向为材料、结构和工艺等。

因此，如何改善现有器件的性能，减少栅极漏电流，提高器件的工作电压就显得尤为重要。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管及其制备方法。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叠层栅钙钛矿场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

s1、选取si衬底；

s2、在所述si衬底表面溅射ito薄膜形成栅电极层；

s3、在所述栅电极层及所述si衬底上溅射hfo2材料形成第一绝缘栅介质层；

s4、在所述第一绝缘栅介质层上旋涂pmma材料形成第二绝缘栅介质层；

s5、在所述第二绝缘栅介质层上旋涂钙钛矿材料形成半导体层；

s6、在所述半导体层上溅射au材料形成源极层和漏极层，并最终形成叠层栅钙钛矿场效应晶体管。

在本发明的一个实施例中，所述s2包括：

s21、用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5min清洗，并抽真空至6×10^-4～1.2×10^-3pa；

s22、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

s23、在真空度为6×10^-4～1.2×10^-3pa、氩气流量为20～30cm³/s、溅射靶材基距为10cm以及磁控溅射设备的工作功率为20w～90w的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述si衬底表面淀积ito材料，制备形成栅电极层。

在本发明的一个实施例中，所述s3包括：

s31、用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5min清洗，并抽真空至6×10^-4～1.1×10^-3pa；

s32、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

s33、在真空度为6×10^-4～1.1×10^-3pa、氩气流量为20～30cm³/s、溅射靶材基距为10cm以及磁控溅射设备的工作功率为20w～80w的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅电极及所述si衬底上溅射hfo2材料，制备形成第一绝缘栅介质层。

在本发明的一个实施例中，所述s4包括；

s41、将pmma颗粒使用去离子水清洗然后吹干；

s42、将吹干的所述pmma颗粒浸泡在无水乙醇中，并进行超声清洗，然后吹干待用；

s43、重复所述步骤s41、s42至少一次；

s44、对所述第一绝缘栅介质层进行预处理；

s45、将吹干待用的pmma颗粒放入chcl3或ccl4溶剂中，搅拌至pmma颗粒完全溶解形成pmma溶液；

s46、将基板放置在旋涂机上，将所述旋涂机转速设定在250rpm～400rpm，将所述pmma溶液滴在所述基板上，至所述pmma溶液均匀平铺于所述基板上；

s47、旋涂成功后，将覆有pmma薄膜的所述基板在40℃～70℃通风热烘至薄膜凝固成型，最后剥离薄膜，制备形成所述第二绝缘栅介质层。

在本发明的一个实施例中，所述s5包括：

采用单一旋涂法、溶液冷却法或凝胶法在所述第二绝缘删介质层上淀积所述半导体层。

在本发明的一个实施例中，所述s5还包括：

s51、将质量为650～660mg的pbi2和质量为210～220mg的ch3nh3i先后加入dmso:gbl的混合溶液中，得到pbi2和ch3nh3i的混合溶液；

s52、将所述pbi2和ch3nh3i的混合溶液在80～85℃温度下搅拌1.5～2h，将搅拌后的溶液在80～85℃温度下静置1h，得到ch3nh3pbi3溶液；

s53、将所述ch3nh3pbi3溶液滴加到所述第二绝缘栅介质层上，旋涂均匀；

s54、将所述ch3nh3pbi3溶液旋涂均匀的所述第二绝缘栅介质层在90～100℃温度下退火20～30min，制备形成半导体层。

在本发明的一个实施例中，所述s6包括：

s61、用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5～5.5min清洗，并抽真空至4.0×10^-4～4.2×10^-4pa；

s62、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

s63、在真空度为4.0×10^-4～4.2×10^-4pa、氩气流量为20cm³/s、溅射靶材基距为9～10cm以及磁控溅射设备的工作电流为1a的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述半导体层上溅射au材料形成所述源极层和漏极层，制备形成所述叠层栅钙钛矿场效应晶体管，其中，所述au材料的质量百分比纯度>99.99％。

在本发明的一个实施例中，一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管，其特征在于，由上述实施例所述的方法制备形成。

在本发明的一个实施例中，所述si衬底(1)厚度为200～400μm，所述栅电极层(2)厚度为80～100nm，所述第一绝缘栅介质层(3)厚度为30～100nm，所述第二绝缘栅介质层(4)厚度为200～300nm，所述半导体层(5)厚度为300～400nm，所述源极层(6)厚度为150～200nm，所述漏极层(7)厚度为150～200nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、两层绝缘栅介质层的结构相较于传统结构，使得器件沟道电子很难越过栅介质势垒，故而有较小的泄露电流，进而减少了栅极漏电流，扩大了器件的应用范围，改善了器件的功率特性，提高了器件的可靠性；

2、hfo2作为高介电常数材料，能提供高的单位电容值，增强栅电容对沟道电子的控制能力，提高了隧道击穿栅节点的电流和器件的工作电压；

3、经实验测得，有机绝缘体pmma作为栅介质材料，一方面可以改善hfo2的疏水性，使得hfo2易于淀积；另一方面，可以使器件的载流子迁移率增大，器件的开关比增大，提高器件的阈值电压以及改善器件的亚阈值特性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管的制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管的三维立体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，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叠层栅钙钛矿场效应晶体管的制备方法流程示意图。该制备方法具体包括以下步骤：

s1、选取si衬底；

s2、在所述si衬底表面溅射ito薄膜形成栅电极层；

s3、在所述栅电极层及所述si衬底上溅射hfo2材料形成第一绝缘栅介质层；

s4、在所述第一绝缘栅介质层上旋涂pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)材料形成第二绝缘栅介质层；

s5、在所述第二绝缘栅介质层上旋涂钙钛矿(ch3nh3pbi3)材料形成半导体层；

s6、在所述半导体层上溅射au材料形成源极层和漏极层，并最终形成叠层栅钙钛矿场效应晶体管。

其中，s2可以包括：

s21、用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5min清洗，并抽真空至6×10^-4～1.2×10^-3pa；

s22、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

s23、在真空度为6×10^-4～1.2×10^-3pa、氩气流量为20～30cm³/s、溅射靶材基距为10cm以及磁控溅射设备的工作功率为20w～90w的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述si衬底表面淀积ito材料，制备形成栅电极层。

另外，s3可以包括：

s31、用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5min清洗，并抽真空至6×10^-4～1.1×10^-3pa；

s32、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

s33、在真空度为6×10^-4～1.1×10^-3pa、氩气流量为20～30cm³/s、溅射靶材基距为10cm以及磁控溅射设备的工作功率为20w～80w的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅电极及所述si衬底上溅射hfo2材料，制备形成第一绝缘栅介质层。

进一步，第一绝缘栅介质层也可以采用化学气相淀积法或分子束外延法形成。以分子束外延法为例，将所述基底放置在高真空腔体内，将所述hfo2材料放置在喷射炉内，加热到一定温度时所述hfo2材料通过高温蒸发、辉光放电等产生分子束流，入射分子束与所述si衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。

另外，s4可以包括；

s41、将pmma颗粒使用去离子水清洗然后吹干；

s42、将吹干的所述pmma颗粒浸泡在无水乙醇中，并进行超声清洗，然后吹干待用；

s43、重复所述步骤s41、s42至少一次；

s44、对所述第一绝缘栅介质层进行预处理；

s45、将吹干待用的pmma颗粒放入chcl3或ccl4溶剂中，搅拌至pmma颗粒完全溶解形成pmma溶液；

s46、将基板放置在旋涂机上，将所述旋涂机转速设定在250rpm～400rpm，将所述pmma溶液滴在所述基板上，至所述pmma溶液均匀平铺于所述基板上；

s47、旋涂成功后，将覆有pmma薄膜的所述基板在40℃～70℃通风热烘至薄膜凝固成型，最后剥离薄膜，制备形成所述第二绝缘栅介质层。

另外，s5可以包括：

采用单一旋涂法、溶液冷却法或凝胶法在所述第二绝缘删介质层上淀积所述半导体层。

同时，s5还包括以下步骤：

s51、将质量为650～660mg的pbi2和质量为210～220mg的ch3nh3i先后加入dmso:gbl(二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内脂，配比可根据实际场景进行调节，优选的配比为3:7)的混合溶液中，得到pbi2和ch3nh3i的混合溶液；

s52、将所述pbi2和ch3nh3i的混合溶液在80～85℃温度下搅拌1.5～2h，将搅拌后的溶液在80～85℃温度下静置1h，得到ch3nh3pbi3溶液；

s53、将所述ch3nh3pbi3溶液滴加到所述第二绝缘栅介质层上，旋涂均匀；

s54、将所述ch3nh3pbi3溶液旋涂均匀的所述第二绝缘栅介质层在90～100℃温度下退火20～30min，制备形成半导体层。

进一步，所述半导体层可以采用溶液冷却法或凝胶法等其他方法制成。以溶液冷却法为例，具体的制备流程是在较高温度下，将已经计算好化学配比的pbi2和ch3nh3i在同一种溶剂中分别溶解，然后再把溶解后的两种溶液混合在一起，将温度缓慢的降低到室温之下，此时就会结晶出高质量的单晶。

另外，s6可以包括：

s61、用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5～5.5min清洗，并抽真空至4.0×10^-4～4.2×10^-4pa；

s62、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

s63、在真空度为4.0×10^-4～4.2×10^-4pa、氩气流量为20cm³/s、溅射靶材基距为9～10cm以及磁控溅射设备的工作电流为1a的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述半导体层上溅射au材料形成所述源极层和漏极层，制备形成所述叠层栅钙钛矿场效应晶体管，其中，所述au材料的质量百分比纯度>99.99％。

进一步，电极材料可选用al、ti、ni、pt或cu等材料代替，这些材料具有低成本，易淀积等特点。

依照本实施例的方法制备的器件请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管的三维立体结构示意图，所述晶体管包括：si衬底1、栅电极层2、第一绝缘栅介质层3、第二绝缘栅介质层4、半导体层5、源极层6、漏极层7，si衬底1、栅电极层2、第一绝缘栅介质层3、第二绝缘栅介质层4、半导体层5、源极层6、漏极层7竖直分布形成多层结构；其中，所述si衬底1厚度为200～400μm，所述栅电极层2厚度为80～100nm，所述第一绝缘栅介质层3厚度为30～100nm，所述第二绝缘栅介质层4厚度为200～300nm，所述半导体层5厚度为300～400nm，所述源极层6厚度为150～200nm，所述漏极层7厚度为150～200nm。

在本实施例中，制备形成的叠层栅钙钛矿场效应晶体管，其沟道电子很难越过栅介质势垒，故而有较小的泄露电流，进而减少了栅极漏电流，扩大了器件的应用范围，改善了器件的功率特性，提高了器件的可靠性；高介电常数材料，如hfo2，能提供高的单位电容值，增强栅电容对沟道电子的控制能力，提高了隧道击穿栅节点的电流和器件的工作电压。

实施例二

本实施例在上述实施例的基础上，重点对本发明的一种叠层栅钙钛矿场效应晶体管的制备方法进行详细描述。具体地，该方法可以包括：

步骤1：选取厚度为200～400μm的本征si作为si衬底。

步骤2：在步骤1所制备的si衬底表面利用磁控溅射技术淀积长条ito栅电极。

用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5min清洗，并抽真空至6×10^-4～1.2×10^-3pa；

以质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入溅射腔；

在真空度为6×10^-4～1.2×10^-3pa、氩气流量为20～30cm³/s、溅射靶材基距为10cm以及磁控溅射设备的工作功率为20w～90w的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射方法在所述si衬底一侧表面淀积ito材料形成栅电极。

步骤3：在步骤1所制备的si衬底和步骤2所制备的长条ito栅电极上利用磁控溅射技术淀积hfo2材料形成第一绝缘栅介质层。

用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5min清洗，并抽真空至6×10^-4～1.1×10^-3pa；

以质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入溅射腔；

在真空度为6×10^-4～1.1×10^-3pa、氩气流量为20～30cm³/s、溅射靶材基距为10cm以及磁控溅射设备的工作功率为20w～80w的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射方法在所述栅电极及si衬底上溅射hfo2材料形成第一绝缘栅介质层。

在其他实施例中，所述第一绝缘栅介质层也可以采用化学气相淀积或分子束外延形成。以分子束外延法为例，在所述基底放置在高真空腔体内，将hfo2材料放置在喷射炉内，加热到一定温度时hfo2材料通过高温蒸发、辉光放电等产生分子束流，入射分子束与si衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。

步骤4：在步骤3所制备的第一绝缘栅介质层表面旋涂pmma材料形成第二绝缘栅介质层。

将pmma颗粒使用去离子水清洗然后吹干；

再将吹干的pmma颗粒浸泡在无水乙醇中，之后使用超声机超声清洗，然后吹干待用；

再次重复上述步骤一次；

对旋涂需要的第一绝缘栅介质层做预处理；

将适量干燥的pmma颗粒放入chcl3或ccl4溶剂中，搅拌至pmma颗粒完全溶解；

将基板放置在旋涂机上，将旋涂机转速设定在250rpm～400rpm；将足量的pmma的溶液滴在基板上，至pmma溶液均匀平铺于基板上；旋涂成功后，将覆有pmma薄膜的基板放置在高温烘箱中，将烘箱温度设置在40℃～70℃通风热烘至薄膜凝固成型，最后剥离薄膜。

步骤5：在步骤4所制备的第二绝缘栅介质层材料表面旋涂钙钛矿(ch3nh3pbi3)材料形成半导体层。

将650～660mg的pbi2和210～220mg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80～85℃下搅拌1.5～2h，将搅拌后的溶液在80～85℃静置1h，得到ch3nh3pbi3溶液；

将ch3nh3pbi3溶液滴加到所述第二绝缘栅介质层上，在匀胶机上采用单一旋涂法旋涂均匀；

将ch3nh3pbi3溶液旋涂均匀的所述第二绝缘栅介质层在90～100℃下退火20～30min，形成半导体层。

进一步地，在其他实施例中，所述半导体层可以采用溶液冷却法或凝胶法等其他方法制成。以溶液冷却法为例，具体的制备流程是在较高温度下，将已经计算好化学配比的pbi2和ch3nh3i在同一种溶剂中分别溶解，然后再把溶解后的两种溶液混合在一起，将温度缓慢的降低到室温之下，此时就会结晶出高质量的单晶。

步骤6：在步骤5所制备的半导体层使用磁控溅射技术溅射au材料形成源、漏电极，并最终形成叠层栅钙钛矿场效应晶体管。

用质量百分比纯度为99.999％的氩气对磁控溅射设备腔体进行5～5.5min清洗，并抽真空至4.0×10^-4～4.2×10^-4pa；

以质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入溅射腔；

在真空度为4.0×10^-4～4.2×10^-4pa、氩气流量为20cm³/s、溅射靶材基距为9～10cm以及磁控溅射设备的工作电流为1a的条件下，采用掩膜版，利用磁控溅射方法半导体层上溅射au材料形成源、漏电极，并最终形成叠层栅钙钛矿场效应晶体管，所述au材料的质量百分比纯度>99.99％。

电极材料可选用al、ti、ni、pt或cu等材料代替，这些材料具有低成本，易淀积等特点。

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。