CN106299121B - 基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件及其制备方法，该方法包括：选取Si衬底；在Si衬底表面生长栅介质层；在栅介质层表面刻蚀隔离沟槽；在隔离沟槽两侧分别生长电子传输层和空穴传输层；在电子传输层和空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；在Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极；在传输层表面生长Au材料形成源漏电极，最终形成CMOS器件。由于本发明的CMOS器件采用电子传输层传输电子阻挡空穴，采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了现有技术中采用CH3NH3PbI3材料的CMOS器件中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。CMOS器件采用由CH3NH3PbI3材料向沟道提供大量的电子和空穴，形成N型和P型的MOS器件，具有驱动功率小，开关速度快，光电转换效率大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS 器件及其制备方法。
背景技术
随着技术日新月异的发展，集成电路的发展小规模、中规模、大规模到超大规模，不断地推动电子技术的进步。现代电子产品在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈下降趋势，并且产品更新换代的步伐也越来越快。1960年，Intel公司的戈登·摩尔提出了摩尔定律，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。早期生产的集成电路都是双极型的，1962年后出现了金属-氧化物-半导体(MOS)场效应管组成的MOS集成电路。 MOS集成电路根据MOS管类型的不同，结构的不同，导电沟道的不同，分为NMOS、 PMOS和CMOS集成电路。MOS集成电路具有输入阻抗高、抗干扰能力强、功耗小、集成度高的优点，因此进入超大规模集成电路时代以后，MOS集成电路成为集成电路的主流。
PMOS器件和NMOS器件共同构成的互补型MOS器件即为CMOS器件。有机/ 无机钙钛矿(CH3NH3PbI3)可以让有机/无机分子进行有序的组合，将二者的优点结合在一个分子复合物内，得到长程有序的晶体结构。无机组分的晶体结构和坚硬框架，以极强的共价键或离子键能提供高迁移率的好的热稳定性，而有机成分提供了通过分子剪裁改变光电性能以及良好的自组装和成膜特性，使杂化钙钛矿材料能够进行低温和低成本加，可以通过简单的旋转涂覆、浸渍涂布、真空蒸镀等技术制备薄膜器件。CH3NH3PbI3材料在光照下产生大量电子空穴对，通过向NMOS器件的传输层提供电子，向PMOS器件的传输层提供空穴，形成互补型MOS器件CMOS器件。
基于传统CH3NH3PbI3材料的CMOS器件作为半导体集成电路最基本的器件单位，由于CH3NH3PbI3材料在接收光信号时发生电子空穴复合，从而使光电转换效率大大降低，极大影响了CMOS器件的器件性能。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件及其制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件，所述CMOS器件包括：Si衬底、栅介质层、隔离沟槽、电子传输层、空穴传输层、光吸收层、背电极和源漏电极。
在本发明的一个实施例中，所述栅介质层为SiO2材料；所述电子传输层为TiO2材料；所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD材料；所述光吸收层为CH3NH3PbI3材料；所述背电极为Al材料；所述源漏电极为Au材料。
本发明另一个实施例提出的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件的制备方法，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面生长栅介质层；
在所述栅介质层表面刻蚀隔离沟槽；
在所述隔离沟槽两侧分别生长电子传输层和空穴传输层；
在所述电子传输层和所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；
在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极；
在所述传输层表面生长Au材料形成源漏电极，最终形成所述基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件。
在本发明的一个实施例中，在所述栅介质层表面刻蚀隔离沟槽，包括：
光刻隔离区，利用干法刻蚀工艺，在栅介质层表面刻蚀出深度为30～50nm的隔离沟槽。
在本发明的一个实施例中，在所述隔离沟槽两侧分别生长电子传输层和空穴传输层，包括：
使用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO2材料形成电子传输层；
使用第二掩膜版，利用旋涂工艺在所述栅介质层表面生长Spiro-OMeTAD材料形成空穴传输层。
在本发明的一个实施例中，使用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO2材料形成电子传输层，包括：
采用靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO2靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，抽真空，本底真空为4.0×10-3Pa，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80W，生长形成所述TiO2材料；
经过70℃至150℃的退火处理，形成所述电子传输层。
在本发明的一个实施例中，使用第二掩膜版，利用旋涂工艺在所述栅介质层表面生长Spiro-OMeTAD材料形成空穴传输层，包括：
配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入520mg/mL锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL钴盐的乙腈溶液，三者体积比为10:17:11，常温搅拌1h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；使用所述第二掩膜版，将Spiro-OMeTAD 溶液滴加到所述栅介质层表面，然后进行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴传输层。
在本发明的一个实施例中，在所述电子传输层和所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，包括：
使用第三掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层。
在本发明的一个实施例中，使用第三掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，包括：
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，将搅拌后的溶液在 80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
将CH3NH3PbI3溶液滴加所述电子传输层和所述空穴传输层，使用所述第三掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成所述光吸收层。
在本发明的一个实施例中，在所述传输层表面生长Au材料形成源漏电极，包括：
在所述传输层表面使用第四掩膜板隔离所述光吸收层；
溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar材料作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10-4Pa、氩气流量为20cm3/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备形成所述源漏电极。
基于此，本发明具备如下优点：
由于本发明的CMOS器件采用电子传输层传输电子阻挡空穴，采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了现有技术中采用CH3NH3PbI3材料的CMOS器件中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。
本发明的CMOS器件采用由CH3NH3PbI3材料在接收光信号时向N型沟道提供大量的电子，向P型沟道提供大量的空穴，形成互补型MOS器件CMOS器件，具有驱动功率小，开关速度快，光电转换效率大的优点。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件制备方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件的俯视图；
图4为本发明实施例提供的一种第一掩膜版结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第二掩膜板的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第三掩膜板的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种第四掩膜板的结构示意图。
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。
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材料的CMOS器件制备方法的示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、在所述Si衬底表面生长栅介质层；
步骤c、在所述栅介质表面刻蚀隔离沟槽；
步骤d、在所述隔离沟槽两侧分别生长电子传输层和空穴传输层；
步骤e、在所述电子传输层和所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；
步骤f、在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极；
步骤g、在所述传输层表面生长Au材料形成源漏电极，最终形成所述基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件。
其中，步骤c可以包括：
在所述栅介质层表面刻蚀隔离沟槽，具体为：
光刻浅槽隔离区，利用干法刻蚀工艺，栅介质层表面刻蚀出深度为30～50nm的隔离沟槽。
其中，步骤d可以包括：
在所述隔离沟槽两侧分别生长电子传输层和空穴传输层，具体为：
使用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO2材料形成电子传输层；
使用第二掩膜版，利用旋涂工艺在所述栅介质层表面生长Spiro-OMeTAD材料形成空穴传输层。
进一步，步骤d中使用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO2材料形成电子传输层，可以包括：
采用靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO2靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，抽真空，本底真空为4.0×10-3Pa，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80W，生长形成所述TiO2材料；
经过70℃至150℃的退火处理，形成所述电子传输层。
进一步，步骤d中使用第二掩膜版，利用旋涂工艺在所述栅介质层表面生长Spiro-OMeTAD材料形成空穴传输层，可以包括：
配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入520mg/mL锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL钴盐的乙腈溶液，三者体积比为10:17:11，常温搅拌1h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；使用所述第二掩膜版，将Spiro-OMeTAD 溶液滴加到所述栅介质层表面，然后进行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴传输层。
其中，步骤e可以包括：
在所述电子传输层和所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，具体为：
使用第三掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层。
进一步地，步骤e中使用第三掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，可以包括：
步骤e1、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；
步骤e2、将PbI2和CH3NH3I的混合溶液在80摄氏度下搅拌两小时，将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
步骤e3、将CH3NH3PbI3溶液滴加所述电子传输层和所述空穴传输层，使用所述第三掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成所述光吸收层。
另外，步骤g可以包括：
在所述传输层表面生长Au材料形成源漏电极，具体为：
步骤g1、在所述传输层表面使用第四掩膜板隔离所述光吸收层；
步骤g2、溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar材料作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10-4Pa、氩气流量为20cm3/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备形成所述源漏电极。
本发明的有益效果具体为：
由于本发明的CMOS器件采用电子传输层传输电子阻挡空穴，采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了现有技术中采用CH3NH3PbI3的CMOS器件中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。
实施例二
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件的截面示意图。该基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件包括：背电极1、Si衬底2、栅介质层3、隔离沟槽4、电子传输层5、空穴传输层6、光吸收层7、源漏电极8；其中，所述基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件由上述实施例所述的方法制备形成。
本发明的CMOS器件采用由CH3NH3PbI3向沟道提供大量的电子和空穴，形成互补型MOS器件CMOS器件，具有驱动功率小，开关速度快，光电转换效率大的优点。
实施例三
请一并参见图3、图4、图5、图6及图7，图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件的俯视图；图4为本发明实施例提供的一种第一掩膜板的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种第二掩膜板的结构示意图；图6 为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的技术方案进行详细描述。具体地，该方法可以包括：
步骤1：准备Si衬底
准备体硅材料；体硅材料包括衬底层，其中衬底层为重掺杂硅，掺杂浓度为 1×1020cm-3。
步骤2：热氧化SiO2
采用热氧化工艺在步骤1所准备的Si衬底表面生长SiO2氧化层。
步骤3：采用刻蚀工艺在所的SiO2氧化层上形成隔离沟槽，以隔离形成NMOS 有源区和PMOS有源区。
步骤4：使用第一掩膜版，磁控溅射TiO2
靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO2靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，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，本底真空为 4.0×10-3Pa，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80W，生长结束后再经过70℃至150℃的退火处理，由此在SiO2氧化层上制备TiO2电子传输层。
步骤5：使用第二掩膜版，旋涂Spiro-OMeTAD
配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入520mg/mL锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL钴盐的乙腈溶液，三者体积比为10:17:11，常温搅拌1h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；将Spiro-OMeTAD溶液滴加到所准备的SiO2氧化层上，然后进行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD材料的空穴传输层。
步骤6：使用第三掩膜版，旋涂CH3NH3PbI3材料
采用单一旋涂法在步骤3所得TiO2电子传输层以及Spiro-OMeTAD空穴传输层上使用第一掩膜板隔离旋涂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 3所得的TiO2薄膜上，使用第三掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成CH3NH3PbI3光吸收层。
步骤7：生长背面电极Al
采用磁控溅射工艺在步骤1所准备的Si衬底背面溅射电极Al，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的铝，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10-4Pa、氩气流量为20cm3/秒、靶材基距为10cm和工作电流为 1A的条件下，制备背电极铝。
步骤8：生长源漏电极Au
在步骤4和5所准备的传输层薄膜上使用第四掩膜板隔离CH3NH3PbI3光吸收层，随后溅射正面电极Au。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，在真空度为4.0×10-4Pa、氩气流量为20cm3/ 秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备源漏电极金。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件，其特征在于，所述CMOS器件包括：Si衬底、栅介质层、隔离沟槽、电子传输层、空穴传输层、光吸收层、背电极和源漏电极；所述背电极、Si衬底、所述栅介质层和所述隔离沟槽依次此下而上设置，所述电子传输层和所述空穴传输层分别设置在所述隔离沟槽两侧，所述光吸收层在所述电子传输层和所述空穴传输层所形成的传输层上层，所述源漏电极设置在光吸收层表面；其中，所述栅介质层为SiO2材料；所述电子传输层为TiO2材料；所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD材料；所述光吸收层为CH3NH3PbI3材料。
2.一种基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
在所述Si衬底表面生长栅介质层；
在所述栅介质层表面刻蚀隔离沟槽；
在所述隔离沟槽两侧分别生长电子传输层和空穴传输层；其中，使用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO2材料形成电子传输层；使用第二掩膜版，利用旋涂工艺在所述栅介质层表面生长Spiro-OMeTAD材料形成空穴传输层；
在所述电子传输层和所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；
在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成背电极；
在所述传输层表面生长Au材料形成源漏电极，最终形成所述基于CH3NH3PbI3材料的CMOS器件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述栅介质层表面刻蚀隔离沟槽，包括：
光刻隔离区，利用干法刻蚀工艺，在栅介质层表面刻蚀出深度为30～50nm的隔离沟槽。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用第一掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述栅介质层表面生长TiO2材料形成电子传输层，包括：
采用靶材为纯度质量百分比99.99％的TiO2靶，靶直径为60mm，厚度为5mm，抽真空，本底真空为4.0×10-3Pa，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80W，生长形成所述TiO2材料；
经过70℃至150℃的退火处理，形成所述电子传输层。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用第二掩膜版，利用旋涂工艺在所述栅介质层表面生长Spiro-OMeTAD材料形成空穴传输层，包括：
配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入520mg/mL锂盐的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL钴盐的乙腈溶液，三者体积比为10:17:11，常温搅拌1h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；使用所述第二掩膜版，将Spiro-OMeTAD溶液滴加到所述栅介质层表面，然后进行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴传输层。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述电子传输层和所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，包括：
使用第三掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用第三掩膜板，利用单一旋涂工艺在所述电子传输层和所述空穴传输层表面旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，包括：
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，将搅拌后的溶液在80摄氏度静置1小时，得到CH3NH3PbI3溶液；
将CH3NH3PbI3溶液滴加所述电子传输层和所述空穴传输层，使用所述第三掩膜板隔离区域，用匀胶机旋涂均匀，在100摄氏度下退火20分钟，形成所述光吸收层。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述传输层表面生长Au材料形成源漏电极，包括：
在所述传输层表面使用第四掩膜板隔离所述光吸收层；
溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar材料作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为4.0×10-4Pa、氩气流量为20cm3/秒、靶材基距为10cm和工作电流为1A的条件下，制备形成所述源漏电极。
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