CN110767807A - 具有通过使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其结构包括光源、底部栅电极、底栅绝缘层、光敏层、源电极和漏电极。该结构的光敏场效应晶体管，底栅绝缘层覆于底栅之上，光敏层覆于底栅绝缘层之上，源、漏电极覆于光敏层的两侧，中间部分形成沟道。本发明提供的具有通过使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管克服了钙钛矿晶界所造成的负面影响，从而有效地提高了电荷的传输，且钙钛矿薄单晶这种材料作为光敏层在光照条件下可以产生足够多的光生载流子，使电子和空穴的迁移率均有显著地提升，进而影响其阈值电压、陷阱密度，实现了对电流的放大。

Description

具有通过使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体涉及具有通过使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管。
背景技术
具有独特结构的新材料——钙钛矿AMX3(A＝有机或无机阳离子，M＝金属阳离子和X＝卤素阴离子)，使其具有了优异的光电性能，如较高的光吸收系数、较长的载流子寿命以及超长的载流子传输长度等。自2009年以来混合卤化物钙钛矿这种新型材料已经被广泛地用在太阳能电池、光电探测器以及发光二极管等光电子器件中。但这种材料在空气中性质比较不稳定，而全无机钙钛矿CsPbBr3不但具有较高的光和热稳定性、以及优异的光致发光量子效率，而且它还具有优异的光响应性能。
到目前为止，钙钛矿形态可以分为多晶薄膜、纳米线、纳米片、纳米棒、量子点、大块单晶、以及其他形态。在所有形态中，由于薄单晶具有很少的缺陷和晶界，其较其他形态具有更优异的电荷传输特性。但是，电荷传输——这一基本性质，目前很少有人探索，其重要的原因是目前用于太阳能电池、光电探测器以及LED等光电子器件中的钙钛矿大多是几百纳米尺寸多晶的薄膜，其尺寸比沟道L小很多，而且在水平方向上，晶界将是影响电荷传输的一个重要原因。
目前，在此领域已经有了一些开创性的研究，揭示了钙钛矿材料的电荷传输的本质。例如，Cesare等人首次报道了CH3NH3PbI3在78K温度下具有双极性特性；Duan组研究了CH3NH3PbI3在不同温度和不同界面材料下的电荷转移特性；Henning组发现载流子的迁移具有温度依赖性，并揭示了三种不同温度状态下的负迁移系数；曾等利用二维材料做界面修饰材料，制备了基于CsPbBr3的场效应晶体管。
发明内容
有鉴如此，有必要针对晶界对电荷传输产生的负面影响，提供具有通过使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，包括光源、底部栅电极、底栅绝缘层、光敏层、源电极和漏电极，所述的光敏层材料为钙钛矿单晶，其中：
底栅绝缘层覆于底栅之上，光敏层覆于底栅绝缘层之上，源、漏电极覆于光敏层的两侧，中间部分形成沟道。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿薄单晶的晶体结构为立方相结构、四方相结构和正交相结构。
在一些较佳的实施例中，所述光源以氙灯、汞灯、白炽灯、LED灯作为光源。
在一些较佳的实施例中，所述光源为激光光源。
在一些较佳的实施例中，所述光敏场效应晶体管采用左右对称结构。
在一些较佳的实施例中，所述光敏场效应晶体管底部栅电极材料为Si。
在一些较佳的实施例中，所述光敏场效应晶体管底栅绝缘层材料为SiO2、聚甲基丙烯甲酯、CYTOP中的一种。
在一些较佳的实施例中，所述光敏场效应晶体管的栅、源、漏电极材料为金、铂、银、铝中的一种。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为CsPbX3的钙钛矿单晶，所述X为Br、Cl、I及F中任何一种或者由所述Br、Cl、I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为APbX3的钙钛矿单晶，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由所述Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为AMX3的钙钛矿单晶，所述M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任何一种或者由所述Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂而成，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为AMX6的双元晶胞钙钛矿单晶，所述M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任何一种或者由所述Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂而成，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述光敏场效应晶体管的结构为底栅顶接触、底栅底接触、顶栅顶接触及顶栅底接触结构。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿薄单晶的厚度从十纳米到十微米。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其结构包括光源、底部栅电极、底栅绝缘层、光敏层、源电极和漏电极。该结构的光敏场效应晶体管中，底栅绝缘层覆于底栅之上，光敏层覆于底栅绝缘层之上，源、漏电极覆于光敏层的两侧，中间部分形成沟道。本发明提供的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其中光敏层材料钙钛矿薄单晶在光照条件下可以产生足够多的光生载流子，使电子和空穴的迁移率均有显著地提升，进而影响其阈值电压、陷阱密度，实现了对电流的放大。
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它的附图。
图1为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶的光学照片图像；
图2中(a)为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的底栅顶接触的结构示意图；
图2中(b)为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的底栅底接触的结构示意图；
图2中(c)为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的顶栅顶接触的结构示意图；
图2中(d)为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的顶栅底接触的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶的三种不同的晶体结构；
图4为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的输出特性曲线；
图5为本发明实施例提供的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的转移特性曲线在不同光照强度下的变化结果。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种利用钙钛矿薄单晶制备光敏场效应晶体管光敏层材料——钙钛矿薄单晶的光学照片图像。
从图1中可以看出，钙钛矿薄单晶晶界和缺陷较少，比较其他形态的钙钛矿更有利于电荷传输。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为CsPbX3的钙钛矿单晶，所述X为Br、Cl、I及F中任何一种或者由所述Br、Cl、I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为APbX3的钙钛矿单晶，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由所述Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
具体地，MA为甲胺基，其化学式为CH3NH3 +；FA为甲脒基，其化学式为CH2(NH2)2 +。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为AMX3的钙钛矿单晶，所述M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任何一种或者由所述Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂而成，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶为AMX6的双元晶胞钙钛矿单晶，所述M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任何一种或者由所述Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂而成，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿薄单晶的厚度从十纳米到十微米。
请参阅图2中(a)、(b)、(c)及(d)，给出了利用钙钛矿制备光敏场效应晶体管的四种结构示意图，其结构包括光源、底部栅电极、底栅绝缘层、光敏层、源电极和漏电极，所述的光敏层材料为钙钛矿薄单晶。其中：
底栅绝缘层覆于底栅之上，光敏层覆于底栅绝缘层之上，源漏电极覆于光敏层的两侧，中间部分形成沟道。
本发明实施例提供的底栅顶接触结构的钙钛矿薄单晶光敏场效应晶体管的工作方式如下：
在有光照时，光敏层材料内部产生激子，并迅速分裂形成自由载流子。由于光敏层材料对空穴和电子的传输不同，其中一种载流子就限制在载流子陷阱中，从而影响阈值电压，实现对电流的放大。
在一些实施例中，所述光源以氙灯、汞灯、白炽灯、LED灯作为光源。
在一些实施例中，所述光源为激光光源。
在一些实施例中，所述光敏场效应晶体管采用左右完全对称结构。
在一些实施例中，所述光敏场效应晶体管底部栅电极材料为Si。
在一些实施例中，所述光敏场效应晶体管底栅绝缘层材料为SiO2、聚甲基丙烯甲酯、CYTOP中的一种。
在一些实施例中，所述光敏场效应晶体管的栅、源、漏电极材料为金、铂、银、铝中的一种。
在一些实施例中，所述光敏场效应晶体管的结构为底栅顶接触、底栅底接触、顶栅顶接触及顶栅底接触结构。
请参阅图3，给出了钙钛矿薄单晶CsPbBr3的三种不同的晶体结构，即立方相结构、四方相结构及正交相结构。
从图3中可以看出，钙钛矿薄单晶的晶体结构是依赖于温度的，在不同温度下，其晶体结构是不同的并且通过改变温度其晶体结构可以改变。
在一些实施例中，所述钙钛矿薄单晶的晶体结构为立方相结构、四方相结构和正交相结构。
图4～5给出了用上述CsPbBr3薄单晶材料制备的顶栅底接触结构的光敏场效应晶体管的输出特性曲线和转移特性曲线在不同光照强度下的变化结果。其中，上述光敏场效应晶体管的底部栅电极为Si，底部绝缘层为SiO2，光敏层为CsPbBr3薄单晶，源电极和漏电极材料为Au。
从实验结果中可以明显的看出：无论是输出曲线特性还是转移曲线特性，其特性都是依赖于光照强度的，并且通过计算发现光照强度为100mW/cm2时，其载流子迁移率比暗态条件下高3个数量级。其主要原因是在光照条件下，钙钛矿薄单晶可以产生足够多的光生载流子，从而使钙钛矿薄单晶对电子和空穴的迁移率得到提高，实现了对电流的放大。在不同源、漏电极电压下，其中一种载流子被限制在陷阱中，从而影响了阈值电压。
当然本发明的钙钛矿单晶的光学加工系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (12)

1.一种使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，底部栅电极、底栅绝缘层、光敏层、源电极和漏电极，所述的光敏层材料为钙钛矿薄单晶；其中，
底栅绝缘层覆于底部栅电极之上，光敏层覆于底栅绝缘层之上，源电极和漏电极覆于光敏层的两侧，光敏层位于源电极和漏电极中间的部分形成沟道。
2.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述钙钛矿薄单晶的晶体结构为立方相结构、四方相结构和正交相结构。
3.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，晶体管为左右对称结构。
4.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述底部栅电极的材料为Si。
5.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述、聚甲基丙烯甲酯、CYTOP中的一种。
6.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述源电极、漏电极和栅电极的材料为金、铂、银、铝中的一种。
7.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述钙钛矿单晶为CsPbX3的钙钛矿单晶，所述X为Br、Cl、I及F中的一种或者由所述Br、Cl、I及F相互任意掺杂而成。
8.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述钙钛矿单晶为APbX3的钙钛矿单晶，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA任何一种或者由所述Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
9.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述钙钛矿单晶为AMX3的钙钛矿单晶，所述M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任何一种或者由所述Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂而成，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
10.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，所述钙钛矿单晶为AMX6的双元晶胞钙钛矿单晶，所述M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任何一种或者由所述Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂而成，所述A为Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA中任何一种或者由Li，Na，K，Rb，Cs，MA，FA相互任意掺杂而成，所述X为Br，Cl，I及F中任何一种或者由所述Br，Cl，I及F相互任意掺杂而成。
11.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，光敏场效应晶体管的结构为底栅顶接触结构、底栅底接触结构、顶栅顶接触结构及顶栅底接触结构。
12.如权利要求1所述的使用钙钛矿薄单晶形成的光敏场效应晶体管，其特征在于，钙钛矿薄单晶的厚度从十纳米到十微米。
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