一種基于鈣鈦礦材料的晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明屬于晶體管應用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于鈣鈦礦材料的晶體管及其制 備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 基于鈣鈦礦材料的晶體管是一種使用諸如（CH3NH3PbX3- ηγη)形式的化合物作為吸 光材料的晶體管，其中乂』=(：11、1等。電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，從下往上依次分為導電 基底層、絕緣層、金屬底電極層(源極和漏極）、鈣鈦礦半導體層、金屬柵電極。其中研發(fā)重點 關(guān)注的是鈣鈦礦半導體層。
[0005] 現(xiàn)有的形成鈣鈦礦半導體層的主要方法首先將無水氯化鉛粉末(PbCl2)直接溶解 于Ν，Ν_二甲基甲酰胺(DMF)，加熱溶液，此后將溶解好的溶液旋涂在玻璃基底表面，形成一 層PbCl 2薄膜，加熱這層薄膜使得溶劑完全揮發(fā)；然后將載有PbCl2薄膜的玻璃基底在甲基 氯化銨(MACl)的異丙醇（IPA)溶液中浸泡30秒左右之后取出、旋轉(zhuǎn)甩干、再滴一定量的異丙 醇，甩干;或者直接在PbCl 2上面旋涂MACl溶液。此后，把薄膜連同玻璃基底轉(zhuǎn)移到加熱臺 上，70~100攝氏度加熱10~120分鐘。在這個過程中MACl將與PbCl 2反應，轉(zhuǎn)化成大小不一的 (CH3NH3)PbCl3晶體。由于PbCl 2厚度較厚（一般大于200納米），不易于MACl完全反應，反應 不完全，因此當形成了（CH3NH 3)PbCl3晶體后，仍舊會有少量的PbCl2雜質(zhì)殘留在薄膜中，形 成能態(tài)陷阱和缺陷，減少了材料內(nèi)載流子壽命，降低了材料的載流子迀移率。此外，還影響 了薄膜的平整度，造成薄膜的厚度不一，平整度差。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于鈣鈦礦材料的晶體管及其制備方 法，公開了一種鈣鈦礦半導體層材料的合成技術(shù)，降低了 CH3NH3PbX3^nYn晶體轉(zhuǎn)化條件，減少 PbX2雜質(zhì)殘留，降低材料內(nèi)部缺陷密度，提高薄膜的平整度，從而極大地提高鈣鈦礦半導體 層薄膜的載流子壽命和載流子迀移率。
[0008] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，提供一種基于鈣鈦礦材料的晶體管，由表層向里層依次包 括基底、絕緣層、金屬底電極層、鈣鈦礦半導體層、金屬柵電極，鈣鈦礦半導體層包括鹵化鉛 絡合物，鹵化鉛絡合物的化學通式為:PbX 2(U)，其中，X為Cl、I以及Br三種元素中的任意一 種，U為二甲基亞礬(簡稱DMS0)、N，N-二甲基甲酰胺（簡稱DMF)以及甲胺的四氫呋喃（簡稱 MA)三種化合物中的任意一種； 鹵化鉛絡合物是將無水鹵化鉛粉末(化學通式PbX2，X是Cl、I、Br三種元素中的任意一 種）與二甲基亞礬溶劑、或N，N-二甲基甲酰胺溶劑、或甲胺的四氫呋喃溶液相混合，使得 PbX2粉末完全溶解于二甲基亞礬溶劑、或N，N-二甲基甲酰胺溶劑、或甲胺的四氫呋喃溶液 中，再加入氯苯溶劑攪拌混合后靜置，并經(jīng)過過濾后得到的析出物。
[0009] 進一步地，基底材料的選擇包括但不限于高濃度摻雜的p型晶硅。
[0010] 進一步地，絕緣層生長在基底上，絕緣層的材料包括但不限于二氧化硅。
[0011] 進一步地，絕緣層沉積在基底上，金屬底電極層沉積在絕緣層上，并呈兩條帶狀排 布在絕緣層的兩側(cè)邊緣，一側(cè)為源極，另一側(cè)為漏極，在源極和漏極之間留有空隙，所述金 屬底電極層的材料包括但不限于金和銀中至少一種，金屬底電極層3沉積方法包括但不限 于真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、磁控濺射法中的至少一種。
[0012] 進一步地，鈣鈦礦半導體層沉積在金屬底電極層上以及金屬底電極層的源極和漏 極兩條金屬底電極之間的空隙內(nèi)，形成半導體層。
[0013] 進一步地，金屬柵電極沉積在鈣鈦礦半導體層上，金屬柵電極的材料包括但不限 于金和銀中至少一種，金屬柵電極的沉積方法包括但不限于真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法或 磁控濺射法中的至少一種。
[0014] 本發(fā)明還公開了一種制備上述基于鈣鈦礦材料的晶體管的方法，包括在金屬底電 極層上沉積鈣鈦礦半導體層的方法，整個沉積過程在純氮氣環(huán)境中進行，環(huán)境氣壓為1~2大 氣壓，環(huán)境溫度為20~30攝氏度，所述沉積方法包括以下步驟： 第一步，溶解、合成絡合物， 在20~25攝氏度室溫和標準大氣壓的條件下，將無水鹵化鉛粉末與二甲基亞礬溶劑或 N，N-二甲基甲酰胺溶劑按照配比為1~Smg對應10~20mL的比例混合，攪拌5~10分鐘，使得無 水鹵化鉛粉末完全溶解于二甲基亞礬溶劑或N，N-二甲基甲酰胺溶劑中，得到溶液A; 或者，在20~25攝氏度室溫和標準大氣壓的條件下，將無水鹵化鉛粉末與甲胺的四氫呋 喃溶液按照配比為卜3 mg對應10~20mL的比例混合，攪拌5~10分鐘，使得無水鹵化鉛粉末完 全溶解于甲胺的四氫呋喃溶液中，得到溶液A; 其中，所述無水鹵化鉛粉末、化學通式為PbX2中的X是Cl、I、Br三種元素中的任意一 種； 第二步，將所述鹵化鉛絡合物溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶劑，攪拌5~10分鐘，得到溶液 B，溶液B的濃度為0.5~1.5摩爾/升； 第三步，將甲基氯化銨按照30~60mg/mL的質(zhì)量/體積比例溶解于異丙醇溶劑中（簡稱 IPA)形成溶液C; 第四步，將溶液B加熱到60~80攝氏度并保持不斷攪拌； 第五步，取適量加熱到60~80攝氏度的溶液B，迅速均勻涂抹在已經(jīng)沉積了金屬底電極 層的導電基底表面，涂抹的方式包括但不限于旋涂、刀片刮涂、棒式涂布、夾縫式擠壓型涂 布、噴涂、噴墨印刷中的至少一種； 第六步，在涂抹溶液B形成的薄膜上再涂抹溶液C; 第七步，然后，將涂抹了溶液B和C的薄膜在70~100攝氏度下加熱10~120分鐘，形成鈣鈦 礦半導體層，即半導體吸光層。
[0015] 進一步地，鹵化鉛絡合物為氯化鉛絡合物。
[0016]進一步地，在第四步驟中，溶液B中的溶劑揮發(fā)后形成的薄膜厚度為300~1000納 米，在已經(jīng)沉積了金屬底電極層的導電基底表面涂抹溶液B后的靜置條件：室溫~100攝氏 度，30~90秒，溶液B內(nèi)的溶劑基本揮發(fā);在第五步驟中，涂抹溶液C后的靜置條件:放置20~60 秒，溶液C內(nèi)的溶劑基本揮發(fā)。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于鈣鈦礦材料的晶體管及其制備方法，具有以下特 占 . 1、 在鈣鈦礦半導體層，由鹵化鉛絡合物形成的薄膜可以直接與MACl反應，不需要進行 加熱處理，常溫下就可以生成鈣鈦礦薄膜，節(jié)能、簡化流程； 2、 鹵化鉛完全轉(zhuǎn)化成鹵化鉛絡合物，節(jié)約原材料； 3、 形成的鹵化鉛絡合物薄膜更為平整，提升鹵化鉛絡合物薄膜的品質(zhì)，薄膜的內(nèi)部缺 陷更少，薄膜內(nèi)載流子壽命提高10倍，滿足制作薄膜晶體管(TFT)的需求； 4、 向CH3NH3PbX3-nYn化合物轉(zhuǎn)化的窗口條件(包括退火溫度，退火時間以及MACl濃度等） 更寬，可以在40~100攝氏度，10分鐘~20個小時，MACl濃度40~50mg ml/1的窗口范圍內(nèi)選擇， 性能波動小，且均能保持高效率;相比【背景技術(shù)】里薄膜處理的條件苛刻、窗口小的問題，適 應性更強； 5、 利用鹵化鉛絡合物制成的晶體管效率更高，穩(wěn)定性更好。
[0018]
【附圖說明】
[0019] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于鈣鈦礦材料的晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為經(jīng)本發(fā)明的鹵化鉛絡合物（即PbC 12 (DMSO)或PbC 12 (DMF))轉(zhuǎn)化得到的 CH3NH3PbC13薄膜和經(jīng)傳統(tǒng)的PbCl2單體轉(zhuǎn)化得到的CH 3NH3PbC13薄膜，再經(jīng)歷五種不同的退 伙條件后最終得到的薄膜進行XRD測試的結(jié)果比較示意圖； 圖3為經(jīng)本發(fā)明的鹵化鉛絡合物（即PbC12 (DMSO)或PbC12 (DMF))轉(zhuǎn)化得到的 CH3NH3PbC13薄膜和經(jīng)傳統(tǒng)的PbCl2單體轉(zhuǎn)化得到的CH 3NH3PbC13薄膜進行瞬時光致發(fā)光測量 得到的光致發(fā)光響應曲線示意圖； 圖4為圖2的薄膜進行穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光測量得到的薄膜發(fā)光強度曲線示意圖； 圖5為經(jīng)本發(fā)明的鹵化鉛絡合物（即PbC12 (DMSO)或PbC12 (DMF))轉(zhuǎn)化得到的 CH3NH3PbC13薄膜和經(jīng)傳統(tǒng)的PbCl2單體轉(zhuǎn)化得到的CH 3NH3PbC13薄膜的表面SEM圖像之間的 比較。
[0020]
【具體實施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié) 合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅 用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022] 如圖1所示，本發(fā)明的一種基于鈣鈦礦材料的晶體管，由表層向里層依次包括基底 1、絕緣層2、金屬底電極層3、|丐鈦礦半導體層4、金屬柵電極5。
[0023] 鈣鈦礦半導體層4包括鹵化鉛絡合物。鹵化鉛絡合物是將無水鹵化鉛粉末(化學通 式PbX2,X是Cl、I、Br三種元素中的任意一種）與二甲基亞礬溶劑、或N，N-二甲基甲酰胺溶 劑、或甲胺的四氫呋喃溶液相混合，使得PbX 2粉末完全溶解于二甲基亞礬溶劑、或N，N-二甲 基甲酰胺溶劑、或甲胺的四氫呋喃溶液中，再加入氯苯溶劑攪拌混合后靜置，并經(jīng)過過濾后 得到的析出物。
[0024] 基底1的材料包括但不限于高濃度摻雜的p型晶硅等。絕緣層2生長在基底1上，絕 緣層2的材料包括但不限于二氧化硅等。
[0025] 絕緣層2沉積在基底1上。金屬底電極層3沉積在絕緣層2上，并呈兩條帶狀排布在 絕緣層的兩側(cè)邊緣，一側(cè)為源極，另一側(cè)為漏極，兩極性質(zhì)完全一致，僅名稱不同。在源極和 漏極之間留有空隙。金屬底電極層3的材料包括但不限于金和銀中至少一種高功率的金屬。 金屬底電極層3沉積方法包括但不限于真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、磁控濺射法中的至少一 種。
[0026] 鈣鈦礦半導體層4沉積在金屬底電極層3上以及金屬底電極層3的源極和漏極兩條 金屬底電極之間的空隙內(nèi)，形成半導體層。金屬柵電極5沉積在鈣鈦礦半導體層4上。金屬柵 電極5的材料包括但不限于金和銀中至少一種高功率的金屬。金屬柵電極5沉積方法包括但 不限于真空蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、磁控濺射法中的至少一種。
[0027] 下面具體說明本發(fā)明的一種制備基于鈣鈦礦材料的晶體管的方法，包括以下主要 步驟： 第一步:溶解、合成絡合物， 在25攝氏度室溫和標準大氣壓的條件下，在空氣環(huán)境中，將無水氯化鉛粉末(化學式 PbCl2)與N，N-二甲基甲酰胺溶劑(簡稱DMF)按照配比為5 mg PbCl2對應15mL DMF的比例混 合，攪拌5~10分鐘，使得PbCl2粉末完全溶解于DMF溶劑，得到溶液A。
[0028] 第二步:得到新型鹵化鉛絡合物固體， 在25攝氏度室溫和