一种钙钛矿薄膜晶体管及其制备方法

1.本发明属于半导体器件技术领域，主要是涉及一种钙钛矿薄膜晶体管及其制备方法。


背景技术：

2.金属卤化物钙钛矿由于其出色的光电性能(高光吸收系数(105cm-1
)，长范围载流子扩散长度，高缺陷容忍性和均衡的电荷传输等)，简单且低成本的薄膜制造工艺而成为光电领域的研究热点。近年来，钙钛矿半导体材料引起了各领域研究人员的密切关注，在光电器件领域得到了深入研究和广泛应用，例如太阳能电池，发光二极管，光电探测器，场效应晶体管等等。其中，基于钙钛矿材料的太阳能电池的能量转换效率和发光二极管的外量子效率在短期内分别达到了25.5％和21.6％，其性能可以媲美甚至超越有机半导体材料的光电器件。但相比较而言，基于钙钛矿材料的场效应晶体管的研究热情却没有特别高涨。场效应晶体管作为逻辑运算和驱动电路的基本单元，是当代半导体工业的基石。与发光二极管或太阳能电池这些两端电极器件不同的是，场效应晶体管是具有三端电极的电压控制电流器件，通过对栅极、源极和漏极三个电极的电压调控来控制载流子从源极的注入、载流子在半导体材料和电介质界面的传输、和载流子在漏极的收集。
3.然而，因为钙钛矿材料兼具离子半导体的特性，当给定钙钛矿场效应晶体管栅电极一定强度的电压时，钙钛矿中的离子会在电场作用发生迁移，在钙钛矿材料和电介质界面处就会形成离子屏蔽效应，使得栅电压失去作用，从而不能有效调控晶体管沟道中载流子的传输。由于室温时离子迁移效应较强，因此难以获得可以在室温下工作的钙钛矿晶体管。
4.然而，如果能够克服钙钛矿场效应晶体管中的离子屏蔽效应，钙钛矿就会非常适合于晶体管器件的研发。例如，金属卤素化合物钙钛矿具有不同维度和形态，在工艺上可以满足不同需求；电学性质方面，钙钛矿有非常高的本征载流子迁移率和双极性的特点；光学方面，钙钛矿有很高的光吸收系数和光电转化率，适合高性能光敏场效应晶体管的研发。因此，开发一种新型且具有普适性的钙钛矿薄膜晶体管制备方法，进而提高钙钛矿薄膜晶体管的迁移率和稳定性，仍然具有十分重要的科研意义和应用价值。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高效稳定钙钛矿薄膜晶体管及其制备方法，即通过在衬底沉积金属氧化物插入层，可优化其上旋涂的钙钛矿薄膜取向，得到定向排列的高质量的钙钛矿薄膜，在此基础上制备的场效应晶体管中能在室温下工作，且稳定性佳。
6.本发明解决技术问题，采用的技术方案如下：
7.一种钙钛矿薄膜晶体管，其特征在于，包括衬底、源极、漏极、栅极、插入层、半导体层，所述插入层为金属氧化物，所述半导体层为钙钛矿薄膜。
8.进一步，所述插入层是在衬底上旋涂金属氧化物溶液，低温退火形成；所述半导体
层是在插入层上旋涂钙钛矿溶液，低温退火形成。
9.进一步的，所述金属氧化物为二氧化锡，二氧化钛或氧化锌。
10.进一步的，所述钙钛矿为二维钙钛矿。
11.进一步的，所述钙钛矿薄膜为定向排列的钙钛矿薄膜。
12.相对应的，本发明提供了一种钙钛矿薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
13.a：制备金属氧化物以及钙钛矿溶液；
14.b：处理带有光刻电极的衬底并旋涂金属氧化物溶液，低温退火形成插入层；
15.c：插入层上旋涂钙钛矿溶液，低温退火形成钙钛矿薄膜。
16.进一步的，所述金属氧化物为二氧化锡，二氧化钛或氧化锌。
17.进一步的，所述钙钛矿为二维钙钛矿。
18.本发明所提供的技术方案与现有技术方案相比，能够获得以下有益效果：
19.(1)本发明提出了一种新的钙钛矿薄膜晶体管。由于钙钛矿材料的离子屏蔽效应，直接在衬底上沉积钙钛矿材料作为半导体层所制作晶体管并不能有效工作，而本发明在衬底与半导体层之间采用金属氧化物形成插入层，通过该插入层，使得钙钛矿层定向排列，实现栅压源漏电流的有效控制，从而得到可室温工作，稳定性佳的钙钛矿薄膜晶体管。
20.(2)本发明所提供的钙钛矿薄膜晶体管其制备方法简单，即先在衬底上旋涂二氧化锡(sno2)溶液，低温退火处理完成衬底处理工作，再在其上旋涂钙钛矿溶液，就能简单快速地制备出定向排列的高质量钙钛矿薄膜。在不需要使用真空设备等仪器的条件下，这种仅利用一台匀胶机就能实施的衬底处理方法更为简单，适用于大规模的商业化应用。
21.(3)本发明所提供的钙钛矿薄膜晶体管，将定向排列的高质量二维钙钛矿薄膜应用到晶体管中可显著提高器件性能，使它在光电探测领域也具有广阔的应用前景。
22.(4)本发明优选的金属氧化物水溶胶价格低廉且易制备，溶液法处理，易操作适用于大规模加工，从而有利于应用和推广到其他半导体器件领域。
附图说明
23.图1本发明实施例1中底栅底接触钙钛矿薄膜晶体管示意图；
24.图2(a)本发明实施例1中底栅底接触钙钛矿薄膜晶体管饱和区的转移特性曲线图；
25.图2(b)本发明实施例1中底栅底接触钙钛矿薄膜晶体管饱和区的输出特性曲线图；
26.图3(a)本发明实施例2中基于sno2水溶胶处理后(ba)2(ma)
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pb
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作为半导体层的底栅底接触晶体管器件结构示意图；
27.图3(b)本发明实施例2中基于sno2水溶胶处理后(ba)2(ma)
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作为半导体层的底栅底接触晶体管饱和区的转移特性曲线图；
28.图4(a)对比例中未经sno2水溶胶处理的(ba)2(ma)
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作为半导体层的底栅底接触晶体管器件结构示意图；
29.图4(b)对比例中未经sno2水溶胶处理的(ba)2(ma)
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作为半导体层的底栅底接触晶体管饱和区的转移特性曲线图；
具体实施方式
30.为了更加清楚的说明本发明的目的和优势，将以下实施例结合附图进一步详细说明本发明。以下所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用以限制本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.实施例1
32.首先提供一种钙钛矿薄膜晶体管，以底栅顶接触的晶体管为例，参阅图1，该晶体管包括衬底(sio2)、源极(cr)、漏极(cr)、栅极(si)、插入层(sno2)、半导体层((ba)2(ma)
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)。
33.首先通过旋涂sno2水溶胶处理sio2/si衬底获得插入层，然后其上旋涂的(ba)2(ma)
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，使得(ba)2(ma)
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薄膜由随机取向变为面内取向，由此得到的高质量定向排列的钙钛矿薄膜应用到场效应晶体管中能得到可室温工作，稳定性佳的(ba)2(ma)
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薄膜晶体管器件。优选地，当(ba)2(ma)
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钙钛矿n值为4时，器件具有最高的迁移率，数值为2.24
×
10-3
cm-2
v-1
s-1
，晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，相应器件饱和区转移特性曲线分别如图2(a)和图2(b)所示。由转移特性曲线和输出特性曲线可以看出晶体管可以在室温工作，栅压可以控制源漏电极之间的电流。
34.实施例2
35.相对应的，该实施例提供了一种钙钛矿薄膜晶体管的制备方法，这一方法大体包括以下步骤：
36.a：制备金属氧化物以及钙钛矿溶液；
37.以sno2为例阐述金属氧化物溶液的制备过程：首先将冰箱中的sno2水溶胶拿出，用去离子水稀释至浓度为2.67％，接着使用水系过滤头将溶液过滤以除去杂质得到sno2溶液并将其放冰箱保存，使用时将溶液拿出恢复室温即可。
38.以二维钙钛矿(ba)2(ma)
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为例阐述钙钛矿溶液配制，不同平均层数《n》的二维钙钛矿前驱体溶液的配制具有不同的原料配比，如《n》＝4时，ba:mai:pbi2＝2:(n-1):n＝2:3:4(各材料的摩尔比例)，具体细节如下：
39.1)溶解pbi2和mai：分别称取pbi2和mai 500mg，将其分别溶解在1ml的dmf中，其中pbi2溶液需要70℃加热搅拌12个小时；
40.2)按摩而比例混合ba(740mg/ml)以及制备好的pbi2，mai溶液，70℃加热待其混合均匀后，降至室温使用。
41.b：处理带有光刻电极的衬底并旋涂金属氧化物溶液，低温退火形成插入层；
42.以带有源、漏电极(cr)的sio2/si衬底，以及sno2作为金属氧化物为例，具体步骤如下：
43.1)sio2/si衬底依次用去离子水、丙酮、去离子水、异丙醇超声清理3min，清洗结束后用氩气枪吹干。然后将sio2/si衬底转入臭氧处理装置，处理15min以改变sio2/si衬底表面的浸润性；
44.2)在通风橱中，取上述稀释好的sno2溶液以3000转/分钟的转速旋涂于上述处理好的sio2/si衬底上。旋涂过程结束后，立即将衬底转移到加热台上退火，退火温度为150℃，退火时间为30min，由此形成sno2薄膜；到此sio2/si衬底处理工序完成。通过原子力显微
镜对sno2薄膜进行表征，sno2薄膜rms值为2.052nm，说明薄膜表面平整，有利于后续钙钛矿薄膜沉积。
45.c：插入层上旋涂钙钛矿溶液，低温退火形成钙钛矿薄膜。
46.随后对si/sio2/cr/sno2再次进行臭氧处理15min，处理完成后转入充满氩气的手套箱，旋涂配制好的(ba)2(ma)
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溶液，随后100℃退火形成半导体层，即可以获得如图3(a)所示的钙钛矿薄膜晶体管。
47.采用高精度数字源表(keysight b2912a)测试晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，相应器件饱和区转移特性曲线如图3(b)所示。
48.该实施例说明本发明所提供的方法中可显著提高钙钛矿晶体管器件性能。
49.对比例1
50.不含插入层的底栅顶接触的晶体管，采用实施例2同样的制备方法，只是不旋涂sno2溶液，直接在带有源、漏电极的衬底上旋涂钙钛矿溶液，低温退火形成钙钛矿薄膜得到如图4(a)所示的晶体管，采用高精度数字源表(keysight b2912a)测试晶体管的转移特性曲线和输出特性曲线，相应器件饱和区转移特性曲线如图4(b)所示，该器件并不能正常工作，无法实现栅压控制源漏电极之间的电流。