CN106410045B - 基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管及其制备方法 - Google Patents

基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管及其制备方法。该方法包括：选取Al2O3材料作为衬底材料；采用第一掩膜版在所述衬底材料表面形成源漏电极；在所述衬底材料及所述源漏电极表面生长空穴传输层；采用第二掩膜版在所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；采用第三掩膜版在所述光吸收层表面生长形成栅电极材料，以完成所述P型HHMT晶体管的制备。本发明实施例采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，并采用CH3NH3PbI3向沟道提供大量的空穴，制备出的P型HHMT晶体管具有迁移率高，开关速度快，光电转换效率大的优点。

Description

基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管及其制备方法
技术领域
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P型HHMT晶体管及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的蓬勃发展，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。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空穴迁移率晶体管(High Hole Mobility Transistor,简称HHMT)提出了新的要求。
然后，如何制作成本低廉、制备工艺简单，且电转换效率高的光电P型HHMT器件仍然是当前亟需解决的技术问题。
发明内容
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P型HHMT晶体管及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管的制备方法，包括：
选取Al2O3材料作为衬底材料；
采用第一掩膜版在所述衬底材料表面形成源漏电极；
在所述衬底材料及所述源漏电极表面生长空穴传输层；
采用第二掩膜版在所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；
采用第三掩膜版在所述光吸收层表面生长形成栅电极材料，以完成所述P型HHMT晶体管的制备。
在本发明的一个实施例中，采用第一掩膜版在所述衬底材料表面形成源漏电极，包括：
采用氩气对磁控溅射设备的溅射腔体进行清洗后抽真空；
选取质量比纯度≥99.99%的第一金属材料作为溅射靶材，以质量百分比纯度≥99.999%的氩气作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa的条件下在所述衬底材料表面形成所述源漏电极。
在本发明的一个实施例中，所述第一金属材料为Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。
在本发明的一个实施例中，在所述衬底材料及所述源漏电极表面生长空穴传输层，包括：
配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，并加入浓度为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，以体积比为10:17:11在常温下搅拌，得到Spiro-OMeTAD溶液；
将所述Spiro-OMeTAD溶液滴加至所述衬底材料及所述源漏电极表面并旋涂，形成所述空穴传输层。
在本发明的一个实施例中，采用第二掩膜版在所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，包括：
将PbI2和CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI2和CH3NH2I的混合溶液；
将PbI2和CH3NH3I的混合溶液搅拌后静置得到所述CH3NH3PbI3溶液；
采用所述第二掩膜版，在所述空穴传输层表面旋涂所述CH3NH3PbI3材料以形成所述光吸收层。
在本发明的一个实施例中，在所述空穴传输层表面旋涂所述CH3NH3PbI3材料以形成所述光吸收层，包括：
采用所述第二掩膜版，利用单一旋涂法在所述空穴传输层表面旋涂厚度为200~300nm的所述CH3NH3PbI3材料；
在温度为100℃下退火处理形成所述光吸收层。
在本发明的一个实施例中，采用第三掩膜版在所述光吸收层表面生长形成栅电极材料，包括：
采用氩气对磁控溅射设备的溅射腔体进行清洗后抽真空；
选取质量比纯度≥99.99%的第二金属材料作为溅射靶材，以质量百分比纯度≥99.999%的氩气作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa的条件下在所述光吸收层表面形成所述栅电极材料。
在本发明的一个实施例中，所述第二金属材料为Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。
本发明的另一个实施例提供了一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管，其中，所述P型HHMT晶体管由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
本发明实施例，由于该P型HHMT晶体管采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，并采用CH3NH3PbI3材料向沟道提供大量的空穴，具有迁移率高，开关速度快，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P型HHMT晶体管的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管的制备方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图；
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。
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
CH3NH3PbI3钙钛矿作为新型染料敏化太阳能电池的关键原料，在国内外太阳能电池领域成为重点研究方向，同时也是光电高器件的重要原材料之一。CH3NH3PbI3钙钛矿的晶体结构随着温度的变化有而变化，在-111℃以下是正交晶体结构，在-111℃~54℃为四方晶体结构，54℃以上为立方晶体结构，而晶体结构的改变伴随着能量的释放，这就是CH3NH3PbI3钙钛矿的导电原理，也是晶体产生同素异构的原因，因此高的光电转换效率也是CH3NH3PbI3钙钛矿的最主要的特性。
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P型HHMT晶体管的截面示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管的俯视示意图。该P型HHMT晶体管包括衬底1、源漏电极2、空穴传输层3、光吸收层4、栅电极5。衬底1、源漏电极2、空穴传输层3、光吸收层4、栅电极5的材料按顺序由下至上竖直分布，形成多层结构，构成P型HHMT晶体管。所述的衬底1采用蓝宝石(Al2O3)衬底；所述源漏电极3优选采用金(Au)材料；所述光吸收层5为CH3NH3PbI3材料；所述栅电极6优选采用金(Au)材料。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Al2O3材料作为衬底材料；
步骤b、采用第一掩膜版在所述衬底材料表面形成源漏电极；
步骤c、在所述衬底材料及所述源漏电极表面生长空穴传输层；
步骤d、采用第二掩膜版在所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；
步骤e、采用第三掩膜版在所述光吸收层表面生长形成栅电极材料，以完成所述P型HHMT晶体管的制备。
对于步骤b，可以包括：
步骤b1、采用氩气对磁控溅射设备的溅射腔体进行清洗后抽真空；
步骤b2、选取质量比纯度≥99.99%的第一金属材料作为溅射靶材，以质量百分比纯度≥99.999%的氩气作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa的条件下在所述衬底材料表面形成所述源漏电极。
其中，所述第一金属材料为Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。
对于步骤c，可以包括：
步骤c1、配制浓度为72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，并加入浓度为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，以体积比为10:17:11在常温下搅拌，得到Spiro-OMeTAD溶液；
步骤c2、将所述Spiro-OMeTAD溶液滴加至所述衬底材料及所述源漏电极表面并旋涂，形成所述空穴传输层。
对于步骤d，可以包括：
步骤d1、将PbI2和CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI2和CH3NH2I的混合溶液；
步骤d2、将PbI2和CH3NH3I的混合溶液搅拌后静置得到所述CH3NH3PbI3溶液；
步骤d3、采用所述第二掩膜版，在所述空穴传输层表面旋涂所述CH3NH3PbI3材料以形成所述光吸收层。
其中，步骤d3可以包括：
步骤d31、采用所述第二掩膜版，利用单一旋涂法在所述空穴传输层表面旋涂厚度为200~300nm的所述CH3NH3PbI3材料；
步骤d32、在温度为100℃下退火处理形成所述光吸收层。
对于步骤e，可以包括：
步骤e1、采用氩气对磁控溅射设备的溅射腔体进行清洗后抽真空；
步骤e2、选取质量比纯度≥99.99%的第二金属材料作为溅射靶材，以质量百分比纯度≥99.999%的氩气作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4~1.3×10-3Pa的条件下在所述光吸收层表面形成所述栅电极材料。
其中，所述第二金属材料例如为Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt，但不以此为限。
本发明实施例，通过采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了P型HHMT晶体管中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点。另外，本发明的P型HHMT器件由CH3NH3PbI3材料向沟道提供大量的空穴，具有迁移率高，开关速度快，光电转换效率大的优点。
实施例二
请参见图4至图6，图4为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图；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。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的P型HHMT晶体管的制备方法进行详细说明如下：
步骤1：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P型HHMT高空穴迁移率晶体管的纵向漏电。
衬底也可选用200μm-600μm硅衬底热氧化1μm的SiO2替代，但替代后绝缘效果变差，且制作过程更为复杂。
步骤2：请参见图4，在步骤1所准备的蓝宝石衬底上使用第一掩膜版，通过磁控溅射源漏电极Au。
溅射靶材选用质量比纯度≥99.99%的金，以质量百分比纯度≥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3：在衬底和源漏电极上旋涂空穴传输层Spiro-OMeTAD材料。
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衬底和源漏电极上，然后进行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴传输层，传输层厚度为50~200nm。
步骤4：请参见图5，使用第二掩膜版，在空穴传输层Spiro-OMeTAD材料上旋涂光吸收层CH3NH3PbI3材料。
采用单一旋涂法在步骤3所得Spiro-OMeTAD空穴传输层上使用第二掩膜版隔离旋涂CH3NH3PbI3光吸收层，将654mg的PbI2和217mg的CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI2和CH3NH2I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Spiro-OMeTAD薄膜上，使用第二掩膜版隔离区域，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，光吸收层厚度为200~300nm。
步骤5：请参见图6，使用第三掩膜版，在光吸收层CH3NH3PbI3上磁控溅射栅电极金材料。
采用磁控溅射工艺在步骤4所得光吸收层CH3NH3PbI3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≥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。
栅电极可选用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。
本发明提出了一种制备成本低廉、制备工艺简单的基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT高电子迁移率晶体管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、由于本发明的晶体管采用空穴传输层传输空穴阻挡电子，克服了高电子迁移率晶体管中电子空穴复合，光电转换效率低的缺点；
2、本发明的晶体管采用由CH3NH3PbI3向沟道提供大量的空穴，具有迁移率高，开关速度快，光电转换效率大的优点。
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。

Claims (8)

1.一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
选取Al2O3材料作为衬底材料；
采用第一掩膜版在所述衬底材料表面形成源漏电极；
在所述衬底材料及所述源漏电极表面生长空穴传输层；
采用第二掩膜版在所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；
采用第三掩膜版在所述光吸收层表面生长形成栅电极材料，以完成所述P型HHMT晶体管的制备。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第一掩膜版在所述衬底材料表面形成源漏电极，包括：
采用氩气对磁控溅射设备的溅射腔体进行清洗后抽真空；
选取质量比纯度≥99.99％的第一金属材料作为溅射靶材，以质量百分比纯度≥99.999％的氩气作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa的条件下在所述衬底材料表面形成所述源漏电极。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一金属材料为Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第二掩膜版在所述空穴传输层表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，包括：
将PbI2和CH3NH2I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI2和CH3NH2I的混合溶液；
将PbI2和CH3NH3I的混合溶液搅拌后静置得到所述CH3NH3PbI3溶液；
采用所述第二掩膜版，在所述空穴传输层表面旋涂所述CH3NH3PbI3材料以形成所述光吸收层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述空穴传输层表面旋涂所述CH3NH3PbI3材料以形成所述光吸收层，包括：
采用所述第二掩膜版，利用单一旋涂法在所述空穴传输层表面旋涂厚度为200～300nm的所述CH3NH3PbI3材料；
在温度为100℃下退火处理形成所述光吸收层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用第三掩膜版在所述光吸收层表面生长形成栅电极材料，包括：
采用氩气对磁控溅射设备的溅射腔体进行清洗后抽真空；
选取质量比纯度≥99.99％的第二金属材料作为溅射靶材，以质量百分比纯度≥99.999％的氩气作为溅射气体通入溅射腔，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa的条件下在所述光吸收层表面形成所述栅电极材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二金属材料为Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。
8.一种基于CH3NH3PbI3材料的P型HHMT晶体管，其特征在于，所述HHMT晶体管由权利要求1-7任一项所述的方法制备形成。
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