CN111509125A - 一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，包括底部栅极层、底栅绝缘层、源极层、半导体层和漏极层，所述垂直结构场效应晶体管的顶部和底部分别为所述底部栅极层、所述漏极层，所述底栅绝缘层位于所述底部栅极层与所述源极层之间，所述半导体层位于所述漏极层与所述源极层之间，所述半导体层为钙钛矿单晶薄片，厚度等于导电沟道的长度。本发明的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管克服了钙钛矿晶界所造成的负面影响，从而有效的提高了电荷传输，并且这种垂直结构的器件减小了导电沟道长度，极大的提高了器件的工作电流并降低了器件的阈值电压。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管。
背景技术
最近，新型材料甲氨基卤化铅钙钛矿(CH3NH3PbX3,X＝卤素)，因具有独特的结构使其具有了优异的光电特性，如带隙可调，高吸光系数，高载流子迁移率以及超长的载流子传输长度等。自2009年以来这种新型半导体材料已经广泛地应用于太阳能电池，发光二极管，激光器以及光电探测器等光电子器件中。目前，一些团队也探索了这种材料在场效应晶体管上的应用，这将有助于揭示该材料的电荷传输的本质。现阶段，一些基于平面结构的钙钛矿场效应晶体管已有了一些开创性的研究。Cesare团队首次报道了CH3NH3PbI3钙钛矿在78K温度下具有双极性特性；Duan团队随后证明了CH3NH3PbI3钙钛矿在77K温度下电子迁移率高于1.0cm2V-1s-1；Jurchescu团队报道在室温下CH3NH3PbI3-xClx的空穴和电子迁移率超过了10cm2V-1s-1；Henning组发现了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。尽管钙钛矿场效应晶体管的性能不断提高，但和一些无机材料相比，载流子迁移率仍然很低。这与钙钛矿材料的形态和质量有很大的关系，目前，太阳能电池，光电探测器，光电二极管等光电器件中使用的钙钛矿材料大多数都是几百纳米的多晶薄膜，它们的尺寸比器件的沟道长度小很多，并且晶界也会影响电荷在水平方向上的传输，使电荷耦合变弱。
钙钛矿场效应晶体管的性能不仅与钙钛矿材料的形态和质量有关，而且还和器件的导电沟道长度有关。20世纪80年代，垂直结构场效应晶体管在传统半导体器件中首次被报道，由于其器件结构特殊，已经受到了广泛的关注。目前，垂直结构场效应晶体管的研究主要集中在有机半导体和无机材料上，如WS2，WSe2，MoS2，DPA等。与传统的平面结构场效应晶体管相比，垂直结构场效应晶体管的导电沟道长度小很多，因为该结构的导电沟道长度是由半导体层材料的厚度决定的，并且这种短沟道的器件可以减少载流子的渡越时间，有利于提高载流子被源极和漏极有效收集的效率。
因此，有必要针对钙钛矿材料的形态、晶界和器件的导电沟道长度对电荷传输产生的影响，研究一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，针对钙钛矿材料的形态、晶界和器件的导电沟道长度对电荷传输产生的影响，提供一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，包括底部栅极层、底栅绝缘层、源极层、半导体层和漏极层。所述垂直结构场效应晶体管的顶部和底部分别为所述底部栅极层、所述漏极层，所述底栅绝缘层位于所述底部栅极层与所述源极层之间，所述半导体层位于所述漏极层与所述源极层之间，所述半导体层为钙钛矿单晶薄片，厚度等于导电沟道的长度。
在一些较佳的实施例中，所述钙钛矿单晶薄片的晶体结构为立方相结构、四方相结构、正交相结构中的任意一种。
在一些较佳的实施例中，钙钛矿单晶为APbX3钙钛矿单晶，其中，
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
在一些较佳的实施例中，钙钛矿单晶为AMX3钙钛矿单晶，其中，
M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任意一种，或者为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂；
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
在一些较佳的实施例中，钙钛矿单晶为AMX6双元晶胞钙钛矿单晶，其中，
M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任意一种，或者为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂；
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
在一些较佳的实施例中，所述底部栅极层的材质为Si。
在一些较佳的实施例中，所述底栅绝缘层的材质为SiO2、聚甲基丙烯甲酯、CYTOP中的任意一种。
在一些较佳的实施例中，所述源极层的材质为金、银、铂、铝中的任意一种，或者为WS2、WSe2、MoS2、石墨烯中的任意一种，或者为碳纳米管。
在一些较佳的实施例中，所述源极层为图案化纳米电极。
在一些较佳的实施例中，所述漏极层的材质为金、银、铂、铝中的任意一种。
本发明的一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，克服了钙钛矿晶界所造成的负面影响，从而有效的提高了电荷传输，并且这种垂直结构的器件减小了导电沟道长度，极大的提高了器件的工作电流并降低了器件的阈值电压。
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是本发明的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管的结构示意图；
图2是CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶的光学照片图像；
图3是钙钛矿单晶的晶体结构随温度变化示意图；
图4是基于CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管在不同栅电压下的输出特性曲线；
图5是基于CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管在不同漏电压下的转移特性曲线；
附图标记说明：1-底部栅极层；2-底栅绝缘层；3-源极层；4-半导体层；5-漏极层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，如图1所示，为本发明基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管的结构示意图，包括底部栅极层1、底栅绝缘层2、源极层3、半导体层4和漏极层5，所述垂直结构场效应晶体管的顶部和底部分别为所述底部栅极层1、所述漏极层5，所述底栅绝缘层2位于所述底部栅极层1与所述源极层5之间，所述半导体层4位于所述漏极层5与所述源极层3之间；所述半导体层4为钙钛矿单晶薄片，厚度等于导电沟道的长度。
本发明的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管的工作方式如下：
垂直结构场效应晶体管的工作原理关键是通过栅极电压的控制来调节源极载流子的注入，从而改变源漏之间的电流。当施加栅极电压时，载流子的注入导致势垒降低，源极的电子或者空穴注入到半导体层，平衡了半导体层中的电子或空穴的浓度，从而实现电流放大。
如图2所示，为CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶的光学照片图像，从图中可以看出，钙钛矿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，本发明中钙钛矿单晶薄片的厚度等于器件的导电沟道长度，从几纳米到几十个微米。
而钙钛矿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。如图3所示，为钙钛矿单晶的晶体结构随温度变化示意图，正交相结构的钙钛矿单晶在温度为130K-150K时转变为正交相结构，四方相结构的钙钛矿单晶在温度为230K-250K时转变为立方相结构。本发明的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，采用的钙钛矿单晶的晶体结构可以为立方相结构、四方相结构、正交相结构中的任意一种。
对于钙钛矿单晶类型的选择也有很多，可以选择钙钛矿单晶为APbX3钙钛矿单晶，其中：
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
还可以选择钙钛矿单晶为AMX3钙钛矿单晶，其中：
M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任意一种，或者为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂；
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
还可以选择钙钛矿单晶为AMX6双元晶胞钙钛矿单晶，其中：
M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任意一种，或者为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂；
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
此外，底部栅极层1的材质可以选择Si，底栅绝缘层2的材质可以选择SiO2、聚甲基丙烯甲酯、CYTOP中的任意一种。源极层3的材质可以选择金、银、铂、铝中的任意一种，或者选择WS2、WSe2、MoS2、石墨烯中的任意一种，或者选择碳纳米管。并且，源极层3可以为图案化纳米电极。漏极层5的材质可以选择金、银、铂、铝中的任意一种。
图4为基于CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管在不同栅电压下的输出特性曲线，图5为基于CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管在不同漏电压下的转移特性曲线。其中，底部栅极层1材质为Si，底部绝缘层2材质为SiO2，源极层3材质为为石墨烯，半导体层4材质为CH3NH3PbBr3钙钛矿单晶，漏极层5材质为为Au。
从图4中可以看出，在底部栅极层1上施加不同的电压，测量器件沟道漏电流Ids随源漏电压的变化情况发现，源漏电压Vds一定时，Ids随着栅电压Vgs的增加而增加。Vgs一定时，在Vds较小时，Ids随着Vds的增加而增加，随着Vds的增加，Ids的增加幅度有所减慢；当Vds增加达到某一数值时，Ids的几乎不再变化，说明器件已经进入饱和阶段。
从图5(a)、(b)中可以看出，当施加的源漏电压Vds为负偏压时，漏电流Ids随栅电压Vgs的反向增大呈现出先增加后趋于稳定的变化趋势；如图5(c)、(d)所示，而当施加的源漏电压Vds为正向偏压时，源漏电流Ids随栅电压Vgs的增加依旧呈现出先增加后趋于稳定的变化趋势。这种变化趋势与半导体层4内的陷阱分布情况以及载流子的迁移机制有着密切的关系。
本发明提供的一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，克服了钙钛矿晶界所造成的负面影响，从而有效的提高了电荷传输，并且这种垂直结构的器件减小了导电沟道长度，极大的提高了器件的工作电流并降低了器件的阈值电压。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，包括底部栅极层、底栅绝缘层、源极层、半导体层和漏极层，所述垂直结构场效应晶体管的顶部和底部分别为所述底部栅极层、所述漏极层，所述底栅绝缘层位于所述底部栅极层与所述源极层之间，所述半导体层位于所述漏极层与所述源极层之间，所述半导体层为钙钛矿单晶薄片，厚度等于导电沟道的长度。
2.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，所述钙钛矿单晶薄片的晶体结构为立方相结构、四方相结构、正交相结构中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，钙钛矿单晶为APbX3钙钛矿单晶，其中，
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
4.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，钙钛矿单晶为AMX3钙钛矿单晶，其中，
M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任意一种，或者为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂；
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
5.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，钙钛矿单晶为AMX6双元晶胞钙钛矿单晶，其中，
M为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni中任意一种，或者为Be，Mg，Ca，Sr，Ba，Zn，Ge，Sn，Pb，Fe，Co，Ni相互任意掺杂；
A为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3中任意一种，或者为Li，Na，K，Rb，Cs，CH3NH3，HC(NH2)2，C6H5CH2CH2NH3相互任意掺杂；
X为Br、Cl、I及F中任意一种，或者为Br、Cl、I及F相互任意掺杂。
6.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，所述底部栅极层的材质为Si。
7.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，所述底栅绝缘层的材质为SiO2、聚甲基丙烯甲酯、CYTOP中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，所述源极层的材质为金、银、铂、铝中的任意一种，或者为WS2、WSe2、MoS2、石墨烯中的任意一种，或者为碳纳米管。
9.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，所述源极层为图案化纳米电极。
10.根据权利要求1所述的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，其特征在于，所述漏极层的材质为金、银、铂、铝中的任意一种。
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| CN112699629A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 变容二极管漏电电流的建模方法 |
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