基于CH3NH3PbI3/PCBM材料的反射增強互補型HEMT及其制備方法與流程

本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT及其制備方法。

背景技術：

互補型HEMT是由N型HEMT和P型HEMT組合的集成器件。而HEMT的基本結構就是一個調制摻雜異質結。高遷移率的二維電子氣(2-DEG)存在于調制摻雜的異質結中，這種2-DEG不僅遷移率很高，而且在極低溫度下也不"凍結"，所以HEMT有很好的低溫性能，可用于低溫研究工作(如分數量子Hall效應)中。同時，HEMT是電壓控制器件，柵極電壓Vg可控制異質結勢阱的深度，則可控制勢阱中2-DEG的面密度，從而控制著器件的工作電流。

隨著可見光無線通訊技術以及電路耦合技術的崛起，市場對可見光波段的光電HEMT提出了新的要求。而有機/無機鈣鈦礦(CH₃NH₃PbI₃)的橫空出世，又給研究帶來了新的視角。有機/無機鈣鈦礦中的有機基團和無機基團的有序結合，得到了長程有序的晶體結構，并兼具了有機和無機材料的優點。無機組分的高遷移率賦予了雜化鈣鈦礦良好的電學特性；有機組分的自組裝和成膜特性，使得雜化鈣鈦礦薄膜的制備工藝簡單而且低成本，也能夠在室溫下進行。雜化鈣鈦礦本身高的光吸收系數也是雜化鈣鈦礦能夠在光電材料中應用的資本。

然后，當前CH₃NH₃PbI₃材料并未很成熟地應用于互補型HEMT器件中，而且如何進一步提高光電轉換效率仍然是亟待解決的難題。

技術實現要素：

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT及其制備方法。

本發明的一個實施例提供了一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的制備方法，包括：

選取藍寶石襯底；

在所述藍寶石襯底下表面形成反射層；

在所述藍寶石襯底上表面形成隔離區；

在所述藍寶石襯底上表面形成源漏電極；

在所述藍寶石襯底上表面沿所述隔離區一側的生長電子傳輸層；

在所述藍寶石襯底上表面沿所述隔離區另一側的生長空穴傳輸層；

在整個襯底上表面生長CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料形成光吸收層；

在整個襯底上表面生長形成柵電極材料，以形成所述反射增強互補型HEMT。

在本發明的一個實施例中，在所述藍寶石襯底下表面形成反射層，包括：

利用磁控濺射工藝，在所述藍寶石襯底下表面濺射Ag材料形成所述反射層。

在本發明的一個實施例中，在所述藍寶石襯底上表面形成隔離區，包括：

采用第一掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述藍寶石襯底上表面生長SiO₂材料，形成所述隔離區。

在本發明的一個實施例中，在所述藍寶石襯底上表面形成源漏電極，包括：

采用第二掩膜版，利用磁控濺射工藝在包括隔離區的所述藍寶石襯底上表面生長Au材料形成所述源漏電極。

在本發明的一個實施例中，在所述藍寶石襯底上表面沿所述隔離區一側的生長電子傳輸層，包括：

采用第三掩膜版，利用磁控濺射工藝，以TiO₂材料作為靶材，在Ar和O₂的氣體環境，濺射功率為60～80W下，在所述隔離區一側的所述藍寶石襯底上表面濺射TiO₂材料，形成所述電子傳輸層。

在本發明的一個實施例中，在所述藍寶石襯底上表面沿所述隔離區另一側的生長空穴傳輸層，包括：

采用第四掩膜版，利用單一旋涂工藝，將Spiro-OMeTAD溶液滴加到在所述隔離區另一側的所述藍寶石襯底上表面并進行旋涂，形成所述空穴傳輸層。

在本發明的一個實施例中，在整個襯底上表面生長CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料形成光吸收層，包括：

利用單一旋涂工藝，采用第五掩膜版，將CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照體積比為100:1的比例滴加在包括電子傳輸層和所述空穴傳輸層的所述藍寶石襯底表面，退火處理后形成所述光吸收層。

在本發明的一個實施例中，將CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照體積比為100:1的比例滴加在包括電子傳輸層和所述空穴傳輸層的所述藍寶石襯底表面，包括：

將PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液；

將PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液攪拌后靜置得到所述CH₃NH₃PbI₃溶液；

將所述CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照體積比為100:1混合形成所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料；

所述采用所述第五掩膜版，利用單一旋涂法在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料。

在本發明的一個實施例中，在整個襯底上表面生長形成柵電極材料，包括：

采用第六掩膜版，利用磁控濺射工藝，以Au材料作為靶材，以Ar作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa，濺射功率為20～100W的條件下，在所述光吸收層表面濺射Au材料形成所述柵電極。

本發明的另一個實施例提供了一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT，其中，所述反射增強互補型HEMT由上述實施例中任一所述的方法制備形成。

本發明實施例，具備如下優點：

1、由于本發明的晶體管采用電子傳輸層傳輸電子阻擋空穴，空穴傳輸層傳輸空穴阻擋電子，克服了高電子遷移率晶體管中電子空穴復合，光電轉換效率低的缺點；

2、本發明的晶體管采用在襯底背面鍍銀形成反射層，導致器件可以增強對光的再利用，提高了光的利用率；

3、本發明的晶體管采用由CH₃NH₃PbI₃材料向溝道提供大量的電子或空穴，由于形成襯底鍍銀反射增強型互補型HEMT高電子遷移率晶體管，具有遷移率高，開關速度快，光利用率高，光電轉換效率大的優點；

4、由于本發明的晶體管采用在光吸收層加入了PCBM材料形成了異質結，能通過對孔洞和空位的填充改善光吸收層薄膜的質量，從而產生更大的晶粒和更少的晶界，吸收更多的光產生光生載流子，增強器件性能。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的截面示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的俯視示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的制備方法示意圖；

圖4a-圖4h為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的制備流程示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種第一掩膜版的結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的一種第二掩膜版的結構示意圖；

圖7為本發明實施例提供的一種第三掩膜版的結構示意圖；

圖8為本發明實施例提供的一種第四掩膜版的結構示意圖；

圖9為本發明實施例提供的一種第五掩膜版的結構示意圖；以及

圖10為本發明實施例提供的一種第六掩膜版的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例一

請參見圖1及圖2，圖1為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的截面示意圖；圖2為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的俯視示意圖。該反射增強互補型HEMT包括：藍寶石襯底1、反光層2、隔離區3、源漏電極4、電子傳輸層5、空穴傳輸層6、光吸收層7、柵電極8。藍寶石襯底1、反光層2、隔離溝槽3、源漏電極4、電子傳輸層5、空穴傳輸層6、光吸收層7、柵電極8大致上依次層疊，形成多層互補結構，構成反射增強互補型高電子遷移率晶體管。所述反光層2例如采用銀材料；所述隔離區3例如采用SiO₂材料；所述源漏電極4例如采用金材料；所述電子傳輸層5例如采用TiO₂材料；所述空穴傳輸層6例如采用Spiro-OMeTAD材料；所述光吸收層7例如采用CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料；所述的柵電極8例如采用Au材料。

請參見圖3，圖3為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的制備方法示意圖。該方法包括如下步驟：

步驟a、選取藍寶石襯底；

步驟b、在所述藍寶石襯底下表面形成反射層；

步驟c、在所述藍寶石襯底上表面形成隔離區；

步驟d、在所述藍寶石襯底上表面形成源漏電極；

步驟e、在所述藍寶石襯底上表面沿所述隔離區一側的生長電子傳輸層；

步驟f、在所述藍寶石襯底上表面沿所述隔離區另一側的生長空穴傳輸層；

步驟g、在整個襯底上表面生長CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料形成光吸收層；

步驟h、在整個襯底上表面生長形成柵電極材料，以形成所述反射增強互補型HEMT。

其中，對于步驟b，可以包括：

利用磁控濺射工藝，在所述藍寶石襯底下表面濺射Ag材料形成所述反射層。

對于步驟c，可以包括：

采用第一掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述藍寶石襯底上表面生長SiO₂材料，形成所述隔離區。

對于步驟d，可以包括：

采用第二掩膜版，利用磁控濺射工藝在包括隔離區的所述藍寶石襯底上表面生長Au材料形成所述源漏電極。

對于步驟e，可以包括：

采用第三掩膜版，利用磁控濺射工藝，以TiO₂材料作為靶材，在Ar和O₂的氣體環境，濺射功率為60～80W下，在所述隔離區一側的所述藍寶石襯底上表面濺射TiO₂材料，形成所述電子傳輸層。

對于步驟f，可以包括：

采用第四掩膜版，利用單一旋涂工藝，將Spiro-OMeTAD溶液滴加到在所述隔離區另一側的所述藍寶石襯底上表面并進行旋涂，形成所述空穴傳輸層。

其中，步驟g可以包括：

利用單一旋涂工藝，采用第五掩膜版，將CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照體積比為100:1的比例滴加在包括電子傳輸層和所述空穴傳輸層的所述藍寶石襯底表面，退火處理后形成所述光吸收層。

具體可以包括：

將PbI₂和CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI₂和CH₃NH₃I 的混合溶液；

將PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液攪拌后靜置得到所述CH₃NH₃PbI₃溶液；

將所述CH₃NH₃PbI₃溶液和PCBM材料按照體積比為100:1混合形成所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料；

所述采用所述第五掩膜版，利用單一旋涂法在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料。

其中，步驟h可以包括：

采用第六掩膜版，利用磁控濺射工藝，以Au材料作為靶材，以Ar作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa，濺射功率為20～100W的條件下，在所述光吸收層表面濺射Au材料形成所述柵電極。

本發明實施例，通過采用電子傳輸層傳輸電子阻擋空穴，空穴傳輸層傳輸空穴阻擋電子，克服了HEMT中電子空穴復合，光電轉換效率低的缺點。另外，本發明的HEMT由CH₃NH₃PbI₃向溝道提供大量的電子或空穴，并采用在襯底上鍍銀形成反射層增強光的利用率，形成互補型HEMT高電子遷移率晶體管，具有遷移率高，開關速度快，光電轉換效率大的優點。最后，在光吸收層加入了PCBM材料形成了異質結，能通過對孔洞和空位的填充改善光吸收層薄膜的質量，從而產生更大的晶粒和更少的晶界，吸收更多的光產生光生載流子，增強器件性能。

實施例二

請參見圖4a-圖4h及圖5至圖10，圖4a-圖4h為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃/PCBM材料的反射增強互補型HEMT的制備流程示意圖，圖5為本發明實施例提供的一種第一掩膜版的結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的一種第二掩膜版的結構示意圖；圖7為本發明實施例提供的一種第三掩膜版的結構示意圖；圖8為本發明實施例提供的一種第四掩膜版的結構示意圖；圖9為本發明實施例提供的一種第五掩膜版的結構示意圖；以及圖10為本發明實施例提供的一種第六掩膜版的結構示意圖。本實施例在上述實施例的基礎上，對本發明反射增強互補型HEMT的制備方法進行詳細說明如下：

步驟1：請參見圖4a，準備襯底藍寶石Al₂O₃，厚度為200μm～600μm。

襯底選用藍寶石Al₂O₃理由為：由于其價格低廉，且絕緣性能好，有效地防止HEMT高電子遷移率晶體管的縱向漏電。

襯底可選用200μm～600μm硅襯底熱氧化1μm的SiO₂替代。

步驟2：請參見圖4b，在藍寶石襯底下表面磁控濺射銀材料形成反光層。

采用磁控濺射工藝在步驟1所得襯底背面磁控濺射柵電極銀材料，濺射靶材選用質量比純度>99.99％的銀，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4-1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20-30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W-100W的條件下，制備反光層銀鏡，電極厚度為100nm-300nm。

反光層可選用Al、Cu等金屬替代。

步驟3：請參見圖4c及圖5，在步驟2所準備的藍寶石襯底上使用第一掩膜版，通過磁控濺射隔離溝槽SiO₂。

所用靶材為純度質量百分比>99.99％的SiO₂靶，靶直徑為50mm，厚度為1.5～3mm，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空，真空度為1.3×10^-3～3×10^-3Pa，隨后依次通入氬氣和氧氣，通過調節流量控制氬氣和氧氣的體積比為9:1，總壓強保持為2.0Pa，濺射功率為60-80W，由此在襯底上制備SiO₂隔離溝槽，厚度>1μm。

步驟4：請參見圖4d及圖6，在步驟3所準備的藍寶石襯底上隔離溝槽兩側使用第二掩膜版，通過磁控濺射源漏電極Au。

濺射靶材選用質量比純度>99.99％的金，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20～30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W～100W的條件下，制備源漏電極金，電極厚度為100nm～300nm。

源漏電極可選用Al、Ti、Ni、Ag、Pt等金屬替代。其中Au、Ag、Pt化學性質穩定；Al、Ti、Ni成本低。

步驟5：請參見圖4e及圖7，在步驟4所準備的藍寶石襯底和源漏電極上使用第三掩膜版在左側部分生長電子傳輸層TiO₂材料。

所用靶材為純度質量百分比>99.99％的TiO₂靶，靶直徑為50mm，厚度為1.5～3mm，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空，真空度為1.3×10^-3～3×10^-3Pa，隨后依次通入氬氣和氧氣，通過調節流量控制氬氣和氧氣的體積比為9:1，總壓強保持為2.0Pa，濺射功率為60～80W，生長結束后再經過70℃至150℃的退火處理，由此在襯底和源漏電極上制備TiO₂電子傳輸層，傳輸層厚度為50～200nm。

步驟6：請參見圖4f及圖8，在步驟4所準備的藍寶石襯底和源漏電極上使用第四掩膜版在右側旋涂空穴傳輸層Spiro-OMeTAD材料。

配制濃度為72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，加入520mg/mL鋰鹽的乙腈溶液、四叔丁基吡啶和300mg/mL鈷鹽的乙腈溶液，三者體積比為10:17:11，常溫攪拌1h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；將Spiro-OMeTAD溶液滴加到步驟3所準備的藍寶石襯底和源漏電極上，然后進行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴傳輸層，傳輸層厚度為50～200nm。

步驟7：請參見圖4g及圖9，使用第五掩膜版，在電子傳輸層和空穴傳輸層上旋涂光吸收層CH₃NH₃PbI₃材料。

采用單一旋涂法在步驟6所得電子傳輸層和空穴傳輸層上旋涂CH₃NH₃PbI₃光吸收層，將654mg的PbI₂和217mg的CH₃NH₃I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液；將PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液在80攝氏度下攪拌兩小時，得到攪拌后的溶液；將攪拌后的溶液在80攝氏度靜置1小時，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；并按照CH₃NH₃PbI₃：PCBM＝100：1的比例溶液滴加到步驟5形成的電子傳輸層和步驟6所得的Spiro-OMeTAD空穴傳輸層上，在100攝氏度下退火20分鐘，形成CH₃NH₃PbI₃/PCBM光吸收層，光吸收層厚度為200～300nm。

步驟8：請參見圖4h及圖10，使用第六掩膜版，在光吸收層上磁控濺射柵電極金材料，最終形成該反射增強互補型HEMT。

采用磁控濺射工藝在步驟7所得光吸收層CH₃NH₃PbI₃上磁控濺射柵電極金材料，濺射靶材選用質量比純度>99.99％的金，以質量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設備腔體進行5分鐘清洗，然后抽真空。在真空度為6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氬氣流量為20～30cm³/秒、靶材基距為10cm和工作功率為20W～100W的條件下，制備柵電極金，電極厚度為100nm～300nm。

柵電極可選用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金屬替代。其中Au、Ag、Pt化學性質穩定；Al、Ti、Ni成本低。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。