本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管及其制備方法。

背景技術：

隨著電子技術的蓬勃發展，市場對光電高速器件的需求與日俱增，并對器件的性能不斷提出更高更細致的要求。近年來，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高空穴遷移率晶體管(High Hole Mobility Transistor,簡稱HHMT)提出了新的要求。

然后，如何制作成本低廉、制備工藝簡單，且電轉換效率高的光電P型HHMT器件仍然是當前亟需解決的技術問題。

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材料的P型HHMT晶體管及其制備方法。

本發明的一個實施例提供了一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管的制備方法，包括：

選取Al₂O₃材料作為襯底材料；

采用第一掩膜版在所述襯底材料表面形成源漏電極；

在所述襯底材料及所述源漏電極表面生長空穴傳輸層；

采用第二掩膜版在所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層；

采用第三掩膜版在所述光吸收層表面生長形成柵電極材料，以完成所述P型HHMT晶體管的制備。

在本發明的一個實施例中，采用第一掩膜版在所述襯底材料表面形成源漏電極，包括：

采用氬氣對磁控濺射設備的濺射腔體進行清洗后抽真空；

選取質量比純度≥99.99%的第一金屬材料作為濺射靶材，以質量百分比純度≥99.999%的氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa的條件下在所述襯底材料表面形成所述源漏電極。

在本發明的一個實施例中，所述第一金屬材料為Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。

在本發明的一個實施例中，在所述襯底材料及所述源漏電極表面生長空穴傳輸層，包括：

配制濃度為72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，并加入濃度為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，以體積比為10:17:11在常溫下攪拌，得到Spiro-OMeTAD溶液；

將所述Spiro-OMeTAD溶液滴加至所述襯底材料及所述源漏電極表面并旋涂，形成所述空穴傳輸層。

在本發明的一個實施例中，采用第二掩膜版在所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層，包括：

將PbI₂和CH₃NH₂I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI₂和CH₃NH₂I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；

采用所述第二掩膜版，在所述空穴傳輸層表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃材料以形成所述光吸收層。

在本發明的一個實施例中，在所述空穴傳輸層表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃材料以形成所述光吸收層，包括：

采用所述第二掩膜版，利用單一旋涂法在所述空穴傳輸層表面旋涂厚度為200~300nm的所述CH₃NH₃PbI₃材料；

在溫度為100℃下退火處理形成所述光吸收層。

在本發明的一個實施例中，采用第三掩膜版在所述光吸收層表面生長形成柵電極材料，包括：

采用氬氣對磁控濺射設備的濺射腔體進行清洗后抽真空；

選取質量比純度≥99.99%的第二金屬材料作為濺射靶材，以質量百分比純度≥99.999%的氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa的條件下在所述光吸收層表面形成所述柵電極材料。

在本發明的一個實施例中，所述第二金屬材料為Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。

本發明的另一個實施例提供了一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管，其中，所述P型HHMT晶體管由上述實施例中任一所述的方法制備形成。

本發明實施例，由于該P型HHMT晶體管采用空穴傳輸層傳輸空穴阻擋電子，并采用CH₃NH₃PbI₃材料向溝道提供大量的空穴，具有遷移率高，開關速度快，光電轉換效率大的優點。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管的截面示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管的俯視示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管的制備方法流程示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種第一掩膜版的結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種第二掩膜版的結構示意圖；

圖6為本發明實施例提供的一種第三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

CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦作為新型染料敏化太陽能電池的關鍵原料，在國內外太陽能電池領域成為重點研究方向，同時也是光電高器件的重要原材料之一。CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦的晶體結構隨著溫度的變化有而變化，在-111℃以下是正交晶體結構，在-111℃~54℃為四方晶體結構，54℃以上為立方晶體結構，而晶體結構的改變伴隨著能量的釋放，這就是CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦的導電原理，也是晶體產生同素異構的原因，因此高的光電轉換效率也是CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦的最主要的特性。

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材料的P型HHMT晶體管的截面示意圖，圖2為本發明實施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT晶體管的俯視示意圖。該P型HHMT晶體管包括襯底1、源漏電極2、空穴傳輸層3、光吸收層4、柵電極5。襯底1、源漏電極2、空穴傳輸層3、光吸收層4、柵電極5的材料按順序由下至上豎直分布，形成多層結構，構成P型HHMT晶體管。所述的襯底1采用藍寶石(Al₂O₃)襯底；所述源漏電極3優選采用金(Au)材料；所述光吸收層5為CH₃NH₃PbI₃材料；所述柵電極6優選采用金(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材料的P型HHMT晶體管的制備方法流程示意圖。該方法包括如下步驟：

步驟a、選取Al₂O₃材料作為襯底材料；

步驟b、采用第一掩膜版在所述襯底材料表面形成源漏電極；

步驟c、在所述襯底材料及所述源漏電極表面生長空穴傳輸層；

步驟d、采用第二掩膜版在所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層；

步驟e、采用第三掩膜版在所述光吸收層表面生長形成柵電極材料，以完成所述P型HHMT晶體管的制備。

對于步驟b，可以包括：

步驟b1、采用氬氣對磁控濺射設備的濺射腔體進行清洗后抽真空；

步驟b2、選取質量比純度≥99.99%的第一金屬材料作為濺射靶材，以質量百分比純度≥99.999%的氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa的條件下在所述襯底材料表面形成所述源漏電極。

其中，所述第一金屬材料為Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt。

對于步驟c，可以包括：

步驟c1、配制濃度為72.3mg/mL的Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，并加入濃度為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，以體積比為10:17:11在常溫下攪拌，得到Spiro-OMeTAD溶液；

步驟c2、將所述Spiro-OMeTAD溶液滴加至所述襯底材料及所述源漏電極表面并旋涂，形成所述空穴傳輸層。

對于步驟d，可以包括：

步驟d1、將PbI₂和CH₃NH₂I先后加入DMSO:GBL中，形成得到PbI₂和CH₃NH₂I的混合溶液；

步驟d2、將PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液攪拌后靜置得到所述CH₃NH₃PbI₃溶液；

步驟d3、采用所述第二掩膜版，在所述空穴傳輸層表面旋涂所述CH₃NH₃PbI₃材料以形成所述光吸收層。

其中，步驟d3可以包括：

步驟d31、采用所述第二掩膜版，利用單一旋涂法在所述空穴傳輸層表面旋涂厚度為200~300nm的所述CH₃NH₃PbI₃材料；

步驟d32、在溫度為100℃下退火處理形成所述光吸收層。

對于步驟e，可以包括：

步驟e1、采用氬氣對磁控濺射設備的濺射腔體進行清洗后抽真空；

步驟e2、選取質量比純度≥99.99%的第二金屬材料作為濺射靶材，以質量百分比純度≥99.999%的氬氣作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為6×10^-4~1.3×10^-3Pa的條件下在所述光吸收層表面形成所述柵電極材料。

其中，所述第二金屬材料例如為Au、Al、Ti、Ni、Ag或Pt，但不以此為限。

本發明實施例，通過采用空穴傳輸層傳輸空穴阻擋電子，克服了P型HHMT晶體管中電子空穴復合，光電轉換效率低的缺點。另外，本發明的P型HHMT器件由CH₃NH₃PbI₃材料向溝道提供大量的空穴，具有遷移率高，開關速度快，光電轉換效率大的優點。

實施例二

請參見圖4至圖6，圖4為本發明實施例提供的一種第一掩膜版的結構示意圖；圖5為本發明實施例提供的一種第二掩膜版的結構示意圖；圖6為本發明實施例提供的一種第三掩膜版的結構示意圖。本實施例在上述實施例的基礎上，對本發明的P型HHMT晶體管的制備方法進行詳細說明如下：

步驟1：準備襯底藍寶石Al₂O₃，厚度為200μm-600μm。

襯底選用藍寶石Al₂O₃理由：由于其價格低廉，且絕緣性能好，有效的防止P型HHMT高空穴遷移率晶體管的縱向漏電。

襯底也可選用200μm-600μm硅襯底熱氧化1μm的SiO₂替代，但替代后絕緣效果變差，且制作過程更為復雜。

步驟2：請參見圖4，在步驟1所準備的藍寶石襯底上使用第一掩膜版，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≥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3：在襯底和源漏電極上旋涂空穴傳輸層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溶液滴加到所準備的襯底和源漏電極上，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4：請參見圖5，使用第二掩膜版，在空穴傳輸層Spiro-OMeTAD材料上旋涂光吸收層CH₃NH₃PbI₃材料。

采用單一旋涂法在步驟3所得Spiro-OMeTAD空穴傳輸層上使用第二掩膜版隔離旋涂CH₃NH₃PbI₃光吸收層，將654mg的PbI₂和217mg的CH₃NH₂I先后加入DMSO:GBL中，得到PbI₂和CH₃NH₂I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；將CH₃NH₃PbI₃溶液滴加到步驟3所得的Spiro-OMeTAD薄膜上，使用第二掩膜版隔離區域，用勻膠機旋涂均勻，在100攝氏度下退火20分鐘，形成CH₃NH₃PbI₃光吸收層，光吸收層厚度為200~300nm。

步驟5：請參見圖6，使用第三掩膜版，在光吸收層CH₃NH₃PbI₃上磁控濺射柵電極金材料。

采用磁控濺射工藝在步驟4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≥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。

本發明提出了一種制備成本低廉、制備工藝簡單的基于CH₃NH₃PbI₃材料的P型HHMT高電子遷移率晶體管。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、由于本發明的晶體管采用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由CH₃NH₃PbI₃向溝道提供大量的空穴，具有遷移率高，開關速度快，光電轉換效率大的優點。

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。