一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管及制备方法与流程

本发明涉及光探测器领域，尤其涉及一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管及制备方法。

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材料光吸收率低，对弱光没有很强的光响应。钙钛矿量子点材料具有光吸收率高、光吸收范围宽、载流子扩散长度长、载流子寿命长、带隙可调等特点，钙钛矿量子点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。为了实现较好的低光强探测，可以将钙钛矿量子点材料与金属氧化物晶体管结合制备一种新型的光电晶体管探测器。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管及其制备方法。钙钛矿量子点材料通过致密的电荷传输界面层与金属氧化物半导体晶体管相结合，提供了具有光谱响应宽，暗电流低，对弱光有很强探测的光电晶体管，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。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管，其特征在于：包括：

上表面水平的基础衬底1；

栅电极2位于基础衬底1上；

栅介电层3和基础衬底1全包围栅电极2，且投影面积等于基础衬底1；

金属氧化物半导体薄膜4位于栅介电层3上；

源漏金属电极5位于栅介电层3和金属氧化物半导体薄膜4上；

电荷传输界面层6位于源漏金属电极5中间；

钙钛矿量子点材料层7位于电荷传输界面层6正上方且完全覆盖电荷传输界面层6；

金属氧化物半导体薄膜4、电荷传输界面层薄膜6、钙钛矿量子点材料层7投影面积等于栅电极2。

进一步地，所述基础衬底1为至少一种：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；

进一步地，所述栅电极2和源漏金属电极5为钼、金、银、铝、铜材料电极；

进一步地，所述栅介电层3为氧化硅siox、氮化硅sinx、氧化铝al2o3、氧化铪hfo2材料；

进一步地，所述金属氧化物半导体薄膜4的材料包括：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；

进一步地，所述电荷传输界面层6的材料包括：富勒烯c60、富勒烯衍生物pcbm、富勒烯衍生物icba、富勒烯与聚甲基丙烯酸甲酯pmma混合物；

进一步地，所述钙钛矿量子点材料层7的材料的化学式为abx3，a包括甲胺离子ch3nh3⁺、甲二胺离子nh2chnh2⁺、铯离子cs⁺、铷离子rb⁺；b包括铅离子pb²⁺、锡离子sn²⁺、铋离子bi²⁺、铕离子eu²⁺；x包括碘离子i^-、氯离子cl^-或溴离子br^-；所述钙钛矿量子点材料层具有宽波段吸收范围。

进一步地，所述栅电极2厚度为30nm至200nm；

进一步地，所述栅介电层3厚度为100nm至400nm；

进一步地，所述金属氧化物半导体薄膜4的厚度为10nm至100nm；

进一步地，所述源漏金属电极5厚度为30nm至200nm，形成的沟道长度为1um至100um，宽度为1um至1000um；

进一步地，所述电荷传输界面层6的厚度为10nm至90nm；

进一步地，所述钙钛矿量子点材料层7的直径为2-10nm，厚度为2-20nm。

另一方面，本发明实施例提供一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管制作方法，其特征在于，包括：

采用磁控溅射法或真空蒸镀法将栅电极2沉积于基础衬底1上，通过光刻制程形成栅电极图形；

采用磁控溅射法或化学气相沉积法栅电极介电层3沉积于基础衬底1和栅电极2上，通过光刻制程形成栅电极图形；

采用磁控溅射法或溶液加工法将金属氧化物半导体薄膜4沉积于栅电极介电层3上，通过光刻制程形成块状有源区图形；

采用磁控溅射法或真空蒸镀法将源漏金属电极5沉积于栅介电层3和金属氧化物半导体薄膜4上，通过光刻制程形成源漏金属电极图形；源漏金属电极5与金属氧化物氧化物半导体薄膜4有一定交叠；

采用氧气氛围、氮气氛围或空气氛围对器件进行退火处理，退火温度为100℃至450℃，退火时间为0.5小时至4小时；

采用溶液旋涂法、或刮涂法、或喷涂法、或真空蒸镀法、或化学气相沉积法、或丝网印刷法、或卷对卷印刷法在所述氧化物半导体薄膜4上制备一层电荷传输界面层6；采用溶液旋涂法、或刮涂法、或喷涂法在电荷传输界面层6上制备一层钙钛矿量子点材料层7。

进一步地，通过硅衬底、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衬底至少一种制作所述基础衬底1；

进一步地，通过钼、金、银、铝、铜材料电极制作所述栅电极2；

进一步地，通过氧化硅siox、氮化硅sinx、氧化铝al2o3、氧化铪hfo2材料制作所述栅介电层3。

进一步地，通过铟镓锌氧化物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材料制作所述金属氧化物半导体薄膜4；

进一步地，通过钼、金、银、铝、铜材料电极制作所述源漏金属电极5；

进一步地，通过富勒烯c60、富勒烯衍生物pcbm、富勒烯衍生物icba、富勒烯与聚甲基丙烯酸甲酯pmma的混合物材料制作所述电荷传输界面层6；

进一步地，所述钙钛矿量子点材料层7的材料的化学式为abx3；a包括甲胺离子ch3nh3⁺、甲二胺离子nh2chnh2⁺、铯离子cs⁺、铷离子rb⁺；b包括铅离子pb²⁺、锡离子sn²⁺、铋离子bi²⁺、铕离子eu²⁺；x包括碘离子i^-、氯离子cl^-或溴离子br^-；所述钙钛矿量子点材料层具有宽波段吸收范围。

进一步地，设置所述栅电极2厚度为30nm至200nm；

进一步地，设置所述栅介电层3厚度为100nm至400nm；

进一步地，设置所述金属氧化物半导体薄膜4的厚度为10nm至100nm。

进一步地，设置所述源漏金属电极5厚度为30nm至200nm，形成的沟道长度为1um至100um，宽度为1um至1000um；

进一步地，设置所述电荷传输界面层6的厚度为10nm至90nm；

进一步地，设置所述钙钛矿量子点材料层7的直径为2-10nm，厚度为2-20nm。

上述技术方案具有如下有益效果：本发明实施例采用金属氧化物半导体薄膜作为光电晶体管沟道材料，钙钛矿量子点材料作为光吸收层材料，电荷传输界面层薄膜将金属氧化物半导体薄膜和钙钛矿量子点材料层隔开，制备出金属氧化物半导体薄膜与钙钛矿量子点材料层且被电荷传输界面层分隔结构的晶体管，不仅利用了以铟镓锌氧化物igzo为代表的金属氧化物半导体的高迁移率、透明、均一性佳的特点，而且采用钙钛矿量子点材料这种性能优异的光吸收材料，利用其对低光强吸收特性强、载流子扩散长度长、带隙可调的特点，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，无法对弱光进行有效吸收的弱点，并且可通过调节钙钛矿量子点材料中的x元素含量来调节禁带宽度。电荷传输界面层薄膜将钙钛矿量子点材料层与金属氧化物半导体薄膜分隔开，避免了钙钛矿量子点材料层的离子进入以igzo为代表的金属氧化物半导体薄膜带来的igzo村料特性的恶化。因此，结合金属氧化物半导体/钙钛矿量子点杂化结构制备的用于弱光探测的光电晶体管能够充分结合金属氧化物半导体薄膜高迁移率和钙钛矿量子点材料层高吸光性性能光电晶体管，具有暗电流低、宽光谱响应，对低光强有高光响应的技术效果；本发明实施例的制备方法与目前硅基工艺平台具有良好的兼容性，晶体管的制备工艺简单，晶体管成功率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例1光电晶体管的结构示意图；

图2是本发明实施1光电晶体管制备方法流程图；

图3是本发明实施1光晶体管在波长350nm紫外光照下的转移曲线；

图4是本发明实施例1光晶体管在波长500nm可见光光照下的转移曲线；

图5是本发明实施例1光晶体管和金属氧化物本征光电晶体管在紫外光区弱光光强照射下的转移曲线；

附图标记表示为：1－基础衬底，2－栅电极，3－栅介电层，4－金属氧化物半导体薄膜，5－源漏金属电极，6－电荷传输界面层，7－钙钛矿量子点材料层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为达上述目的，一方面，本发明实施例提供一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管，其特征在于：包括：

上表面水平的基础衬底；

栅电极位于基础衬底上；

栅介电层和基础衬底全包围栅电极，且投影面积等于基础衬底；

金属氧化物半导体薄膜位于栅介电层上；

源漏金属电极位于栅介电层和金属氧化物半导体薄膜上；

电荷传输界面层位于源漏金属电极中间；

钙钛矿量子点材料层位于电荷传输界面层正上方且完全覆盖电荷传输界面层；

金属氧化物半导体薄膜、电荷传输界面层薄膜、钙钛矿量子点材料层投影面积等于栅电极。

进一步地，所述基础衬底为至少一种：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；

进一步地，所述栅电极和源漏金属电极为钼、金、银、铝、铜材料电极；

进一步地，所述栅介电层为氧化硅siox、氮化硅sinx、氧化铝al2o3、氧化铪hfo2材料；

进一步地，所述金属氧化物半导体薄膜的材料包括：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的一种或多种；

进一步地，所述电荷传输界面层的材料包括：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；

进一步地，所述钙钛矿量子点材料层的材料的化学式为abx3，a包括甲胺离子ch3nh3⁺、甲二胺离子nh2chnh2⁺、铯离子cs⁺、铷离子rb⁺以及此几种阳离子按照一定比例混合所形成的的共混体；b包括铅离子pb²⁺、锡离子sn²⁺、铋离子bi²⁺、铕离子eu²⁺以及此几种阳离子按照一定比例混合所形成的的共混体；x包括碘离子i^-、氯离子cl^-或溴离子br^-；所述钙钛矿量子点材料具有宽波段吸收范围。

进一步地，所述栅电极厚度为30nm至200nm；

进一步地，所述栅介电层厚度为100nm至400nm；

进一步地，所述金属氧化物半导体薄膜的厚度为10nm至100nm；

进一步地，所述源漏金属电极厚度为30nm至200nm，形成的沟道长度为1um至100um，宽度为1um至1000um；

进一步地，所述电荷传输界面层的厚度为10nm至90nm；

进一步地，所述钙钛矿量子点材料层的直径为2-10nm，厚度为2-20nm。

另一方面，本发明提供一种用于弱光探测的钙钛矿量子点光电晶体管制作方法，其特征在于，包括：

1、基础衬底清洗

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，酒精中各超声15分钟。在氮气条件下烘干。

2、栅电极制备，以金属mo的制备为例

将衬底放入磁控溅射台中，当溅射台箱内真空达到1.5×10^-3pa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150nm厚的mo薄膜。通过光刻技术图形化栅电极。

采用磁控溅射法或真空蒸镀法将栅电极生长到基础衬底上，通过光刻制程形成栅电极图形。

3、栅介电层制备，以sio2的制备为例

将样品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0.13pa，生长200nm厚的sio2薄膜。

采用磁控溅射法或化学气相沉积法栅电极介电层生长到栅电极上，通过光刻制程形成栅电极图形。

4、金属氧化物半导体层制备，以铟镓锌氧化物igzo的制备为例

(1)igzo薄膜的制备

将样品放入磁控溅射台中，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。

采用磁控溅射法或溶液加工法将金属氧化物半导体薄膜直接生长到栅电极介电层，通过光刻制程形成块状有源区图形。

5、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150nm厚的mo薄膜，并通过剥离形成源漏图形。

(3)将样品放入等rie系统反应室中，对栅电极开孔。

采用磁控溅射法或真空蒸镀法将源漏金属电极直接生长到栅介电层上，通过光刻制程形成源漏金属电极图形；此时所述源漏金属电极与金属氧化物氧化物半导体薄膜有一定交叠。

6、退火处理

将制作好金属氧化物薄膜的晶体管器件置于250℃纯氧气条件下退火处理1小时。

采用氧气氛围、氮气氛围或空气氛围对器件进行退火处理，退火温度为100℃至450℃，退火时间0.5小时至4小时。

7、电荷传输界面层薄膜制备，以富勒烯衍生物pcbm为例。

将20mg/ml的pcbm溶液滴到igzo晶体管上以2000转/分的转速旋涂40s，然后在100℃下退火10min。

采用溶液旋涂法、或刮涂法、或喷涂法、或真空蒸镀法、或化学气相沉积法、或丝网印刷法、或卷对卷印刷法在所述氧化物半导体薄膜上制备一层所述电荷传输界面层(6)；

8、钙钛矿量子点层制备，以无机钙钛矿cspbbr3为例。

将20mg/ml的pcbm溶液滴到pcbm上以2000转/分的转速旋涂45s，自然晾干。

采用溶液旋涂法、或刮涂法、或喷涂法在所述电荷传输界面层上制备一层钙钛矿量子点材料层。

综上可见，制备igzo晶体管的工艺与传统硅基工艺相兼容，制备pcbm和钙钛矿量子点的旋涂工艺也适合大面积制备工艺，保证了所述光电晶体管在探测领域大面积，集成化的要求。

对应于上述方法实施例，图3是本发明实施1光晶体管在波长350nm紫外光照下的转移曲线。图4是本发明实施例1光晶体管在波长500nm可见光光照下的转移曲线；图5是本发明实施例1光晶体管和金属氧化物本征光电晶体管在紫外光区弱光光强照射下的转移曲线。

光电性能测试：源漏电压为30v，栅电极电压变化为-30v至20v，光强为8.95μw/cm²和207.3μw/cm²，波长为350nm紫外光和500nm可见光。

综上可见，金属氧化物半导体/钙钛矿量子点结合的光电晶体管测试波长范围从紫外区至可见区，且由于钙钛矿量子点的引入，相比于本征金属氧化物光电晶体管，器件对低光强(8.95μw/cm²)，有更好的相应。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。