本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展，集成電路的發(fā)展小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模到超大規(guī)模，不斷地推動(dòng)電子技術(shù)的進(jìn)步?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品在性能提高、復(fù)雜度增大的同時(shí)，價(jià)格卻一直呈下降趨勢，并且產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐也越來越快。1960年，Intel公司的戈登·摩爾提出了摩爾定律，即當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會增加一倍，性能也將提升一倍。早期生產(chǎn)的集成電路都是雙極型的，1962年后出現(xiàn)了金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場效應(yīng)管組成的MOS集成電路。MOS集成電路根據(jù)MOS管類型的不同，結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)電溝道的不同，分為NMOS、PMOS和CMOS集成電路。MOS集成電路具有輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，因此進(jìn)入超大規(guī)模集成電路時(shí)代以后，MOS集成電路成為集成電路的主流。

PMOS器件和NMOS器件共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS器件即為CMOS器件。有機(jī)/無機(jī)鈣鈦礦(CH₃NH₃PbI₃)可以讓有機(jī)/無機(jī)分子進(jìn)行有序的組合，將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一個(gè)分子復(fù)合物內(nèi)，得到長程有序的晶體結(jié)構(gòu)。無機(jī)組分的晶體結(jié)構(gòu)和堅(jiān)硬框架，以極強(qiáng)的共價(jià)鍵或離子鍵能提供高遷移率的好的熱穩(wěn)定性，而有機(jī)成分提供了通過分子剪裁改變光電性能以及良好的自組裝和成膜特性，使雜化鈣鈦礦材料能夠進(jìn)行低溫和低成本加，可以通過簡單的旋轉(zhuǎn)涂覆、浸漬涂布、真空蒸鍍等技術(shù)制備薄膜器件。CH₃NH₃PbI₃材料在光照下產(chǎn)生大量電子空穴對，通過向NMOS器件的傳輸層提供電子，向PMOS器件的傳輸層提供空穴，形成互補(bǔ)型MOS器件CMOS器件。

基于傳統(tǒng)CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件作為半導(dǎo)體集成電路最基本的器件單位，由于CH₃NH₃PbI₃材料在接收光信號時(shí)發(fā)生電子空穴復(fù)合，從而使光電轉(zhuǎn)換效率大大降低，極大影響了CMOS器件的器件性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷和不足，本發(fā)明提出一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件及其制備方法。

具體地，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提出的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件，所述CMOS器件包括：Si襯底、柵介質(zhì)層、隔離溝槽、電子傳輸層、空穴傳輸層、光吸收層、背電極和源漏電極。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述柵介質(zhì)層為SiO₂材料；所述電子傳輸層為TiO₂材料；所述空穴傳輸層為Spiro-OMeTAD材料；所述光吸收層為CH₃NH₃PbI₃材料；所述背電極為Al材料；所述源漏電極為Au材料。

本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例提出的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件的制備方法，包括：

選取Si襯底；

在所述Si襯底表面生長柵介質(zhì)層；

在所述柵介質(zhì)層表面刻蝕隔離溝槽；

在所述隔離溝槽兩側(cè)分別生長電子傳輸層和空穴傳輸層；

在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層；

在所述Si襯底下表面濺射Al材料形成背電極；

在所述傳輸層表面生長Au材料形成源漏電極，最終形成所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述柵介質(zhì)層表面刻蝕隔離溝槽，包括：

光刻隔離區(qū)，利用干法刻蝕工藝，在柵介質(zhì)層表面刻蝕出深度為30～50nm的隔離溝槽。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述隔離溝槽兩側(cè)分別生長電子傳輸層和空穴傳輸層，包括：

使用第一掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長TiO₂材料形成電子傳輸層；

使用第二掩膜版，利用旋涂工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長Spiro-OMeTAD材料形成空穴傳輸層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用第一掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長TiO₂材料形成電子傳輸層，包括：

采用靶材為純度質(zhì)量百分比99.99％的TiO₂靶，靶直徑為60mm，厚度為5mm，抽真空，本底真空為4.0×10-3Pa，依次通入氬氣和氧氣，通過調(diào)節(jié)流量控制氬氣和氧氣的體積比為9:1，總壓強(qiáng)保持為2.0Pa，濺射功率為80W，生長形成所述TiO₂材料；

經(jīng)過70℃至150℃的退火處理，形成所述電子傳輸層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用第二掩膜版，利用旋涂工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長Spiro-OMeTAD材料形成空穴傳輸層，包括：

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?cái)嚢?h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；使用所述第二掩膜版，將Spiro-OMeTAD溶液滴加到所述柵介質(zhì)層表面，然后進(jìn)行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴傳輸層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層，包括：

使用第三掩膜板，利用單一旋涂工藝在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用第三掩膜板，利用單一旋涂工藝在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層，包括：

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(shí)，將攪拌后的溶液在80攝氏度靜置1小時(shí)，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；

將CH₃NH₃PbI₃溶液滴加所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層，使用所述第三掩膜板隔離區(qū)域，用勻膠機(jī)旋涂均勻，在100攝氏度下退火20分鐘，形成所述光吸收層。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述傳輸層表面生長Au材料形成源漏電極，包括：

在所述傳輸層表面使用第四掩膜板隔離所述光吸收層；

濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99％的Au，以質(zhì)量百分比純度為99.999％的Ar材料作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為4.0×10^-4Pa、氬氣流量為20cm³/秒、靶材基距為10cm和工作電流為1A的條件下，制備形成所述源漏電極。

基于此，本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

由于本發(fā)明的CMOS器件采用電子傳輸層傳輸電子阻擋空穴，采用空穴傳輸層傳輸空穴阻擋電子，克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件中電子空穴復(fù)合，光電轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)。

本發(fā)明的CMOS器件采用由CH₃NH₃PbI₃材料在接收光信號時(shí)向N型溝道提供大量的電子，向P型溝道提供大量的空穴，形成互補(bǔ)型MOS器件CMOS器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，光電轉(zhuǎn)換效率大的優(yōu)點(diǎn)。

通過以下參考附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它方面和特征變得明顯。但是應(yīng)當(dāng)知道，該附圖僅僅為解釋的目的設(shè)計(jì)，而不是作為本發(fā)明的范圍的限定，這是因?yàn)槠鋺?yīng)當(dāng)參考附加的權(quán)利要求。還應(yīng)當(dāng)知道，除非另外指出，不必要依比例繪制附圖，它們僅僅力圖概念地說明此處描述的結(jié)構(gòu)和流程。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件制備方法的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件的截面示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件的俯視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第一掩膜版結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第二掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第三掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第四掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。

實(shí)施例一

請參見圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件制備方法的示意圖。該方法包括如下步驟：

步驟a、選取Si襯底；

步驟b、在所述Si襯底表面生長柵介質(zhì)層；

步驟c、在所述柵介質(zhì)表面刻蝕隔離溝槽；

步驟d、在所述隔離溝槽兩側(cè)分別生長電子傳輸層和空穴傳輸層；

步驟e、在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層；

步驟f、在所述Si襯底下表面濺射Al材料形成背電極；

步驟g、在所述傳輸層表面生長Au材料形成源漏電極，最終形成所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件。

其中，步驟c可以包括：

在所述柵介質(zhì)層表面刻蝕隔離溝槽，具體為：

光刻淺槽隔離區(qū)，利用干法刻蝕工藝，柵介質(zhì)層表面刻蝕出深度為30～50nm的隔離溝槽。

其中，步驟d可以包括：

在所述隔離溝槽兩側(cè)分別生長電子傳輸層和空穴傳輸層，具體為：

使用第一掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長TiO₂材料形成電子傳輸層；

使用第二掩膜版，利用旋涂工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長Spiro-OMeTAD材料形成空穴傳輸層。

進(jìn)一步，步驟d中使用第一掩膜版，利用磁控濺射工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長TiO₂材料形成電子傳輸層，可以包括：

采用靶材為純度質(zhì)量百分比99.99％的TiO₂靶，靶直徑為60mm，厚度為5mm，抽真空，本底真空為4.0×10^-3Pa，依次通入氬氣和氧氣，通過調(diào)節(jié)流量控制氬氣和氧氣的體積比為9:1，總壓強(qiáng)保持為2.0Pa，濺射功率為80W，生長形成所述TiO₂材料；

經(jīng)過70℃至150℃的退火處理，形成所述電子傳輸層。

進(jìn)一步，步驟d中使用第二掩膜版，利用旋涂工藝在所述柵介質(zhì)層表面生長Spiro-OMeTAD材料形成空穴傳輸層，可以包括：

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?cái)嚢?h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；使用所述第二掩膜版，將Spiro-OMeTAD溶液滴加到所述柵介質(zhì)層表面，然后進(jìn)行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD空穴傳輸層。

其中，步驟e可以包括：

在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面生長CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層，具體為：

使用第三掩膜板，利用單一旋涂工藝在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層。

進(jìn)一步地，步驟e中使用第三掩膜板，利用單一旋涂工藝在所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層表面旋涂CH₃NH₃PbI₃材料形成光吸收層，可以包括：

步驟e1、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；

步驟e2、將PbI₂和CH₃NH₃I的混合溶液在80攝氏度下攪拌兩小時(shí)，將攪拌后的溶液在80攝氏度靜置1小時(shí)，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；

步驟e3、將CH₃NH₃PbI₃溶液滴加所述電子傳輸層和所述空穴傳輸層，使用所述第三掩膜板隔離區(qū)域，用勻膠機(jī)旋涂均勻，在100攝氏度下退火20分鐘，形成所述光吸收層。

另外，步驟g可以包括：

在所述傳輸層表面生長Au材料形成源漏電極，具體為：

步驟g1、在所述傳輸層表面使用第四掩膜板隔離所述光吸收層；

步驟g2、濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99％的Au，以質(zhì)量百分比純度為99.999％的Ar材料作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為4.0×10^-4Pa、氬氣流量為20cm³/秒、靶材基距為10cm和工作電流為1A的條件下，制備形成所述源漏電極。

本發(fā)明的有益效果具體為：

由于本發(fā)明的CMOS器件采用電子傳輸層傳輸電子阻擋空穴，采用空穴傳輸層傳輸空穴阻擋電子，克服了現(xiàn)有技術(shù)中采用CH₃NH₃PbI₃的CMOS器件中電子空穴復(fù)合，光電轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)。

實(shí)施例二

請參見圖2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件的截面示意圖。該基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件包括：背電極1、Si襯底2、柵介質(zhì)層3、隔離溝槽4、電子傳輸層5、空穴傳輸層6、光吸收層7、源漏電極8；其中，所述基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件由上述實(shí)施例所述的方法制備形成。

本發(fā)明的CMOS器件采用由CH₃NH₃PbI₃向溝道提供大量的電子和空穴，形成互補(bǔ)型MOS器件CMOS器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，光電轉(zhuǎn)換效率大的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)施例三

請一并參見圖3、圖4、圖5、圖6及圖7，圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件的俯視圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第一掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第二掩膜板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第三掩膜版的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種第四掩膜版的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。具體地，該方法可以包括：

步驟1：準(zhǔn)備Si襯底

準(zhǔn)備體硅材料；體硅材料包括襯底層，其中襯底層為重?fù)诫s硅，摻雜濃度為1×10²⁰cm^-3。

步驟2：熱氧化SiO₂

采用熱氧化工藝在步驟1所準(zhǔn)備的Si襯底表面生長SiO₂氧化層。

步驟3：采用刻蝕工藝在所的SiO₂氧化層上形成隔離溝槽，以隔離形成NMOS有源區(qū)和PMOS有源區(qū)。

步驟4：使用第一掩膜版，磁控濺射TiO₂

靶材為純度質(zhì)量百分比99.99％的TiO₂靶，靶直徑為60mm，厚度為5mm，濺射前，用高純氬氣對磁控濺射設(shè)備腔體進(jìn)行5分鐘清洗，然后抽真空，本底真空為4.0×10^-3Pa，隨后依次通入氬氣和氧氣，通過調(diào)節(jié)流量控制氬氣和氧氣的體積比為9:1，總壓強(qiáng)保持為2.0Pa，濺射功率為80W，生長結(jié)束后再經(jīng)過70℃至150℃的退火處理，由此在SiO₂氧化層上制備TiO₂電子傳輸層。

步驟5：使用第二掩膜版，旋涂Spiro-OMeTAD

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?cái)嚢?h，即得到Spiro-OMeTAD溶液；將Spiro-OMeTAD溶液滴加到所準(zhǔn)備的SiO₂氧化層上，然后進(jìn)行旋涂，即得到Spiro-OMeTAD材料的空穴傳輸層。

步驟6：使用第三掩膜版，旋涂CH₃NH₃PbI₃材料

采用單一旋涂法在步驟3所得TiO₂電子傳輸層以及Spiro-OMeTAD空穴傳輸層上使用第一掩膜板隔離旋涂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(shí)，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(shí)，得到CH₃NH₃PbI₃溶液；將CH₃NH₃PbI₃溶液滴加到步驟3所得的TiO₂薄膜上，使用第三掩膜板隔離區(qū)域，用勻膠機(jī)旋涂均勻，在100攝氏度下退火20分鐘，形成CH₃NH₃PbI₃光吸收層。

步驟7：生長背面電極Al

采用磁控濺射工藝在步驟1所準(zhǔn)備的Si襯底背面濺射電極Al，濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99％的鋁，以質(zhì)量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為4.0×10^-4Pa、氬氣流量為20cm³/秒、靶材基距為10cm和工作電流為1A的條件下，制備背電極鋁。

步驟8：生長源漏電極Au

在步驟4和5所準(zhǔn)備的傳輸層薄膜上使用第四掩膜板隔離CH₃NH₃PbI₃光吸收層，隨后濺射正面電極Au。濺射靶材選用質(zhì)量比純度>99.99％的金，以質(zhì)量百分比純度為99.999％的Ar作為濺射氣體通入濺射腔，在真空度為4.0×10^-4Pa、氬氣流量為20cm³/秒、靶材基距為10cm和工作電流為1A的條件下，制備源漏電極金。

綜上所述，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明基于CH₃NH₃PbI₃材料的CMOS器件及其制備方法的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求為準(zhǔn)。