一种硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管及制备方法

本发明涉及微电子材料与器件技术、柔性电子、集成电路和信息显示等领域，包括薄膜晶体管制备和应用，尤其是一种硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、锡基钙钛矿材料空穴具有较低的有效质量使其具有较高的理论载流子迁移率和优异的电荷传输能力。锡基钙钛矿材料可低成本溶液法制备的优势被认为是非常具有应用前景的p性半导体沟道材料，尤其是在平板显示器的驱动电路、集成电路以及柔性可穿戴电子器件等领域具有潜在价值。由于锡基钙钛矿材料本身的一些不足，诸如结晶可控性差和薄膜缺陷密度高使得大面积化制备受限，并且器件性能远远没有达到理论极限值。另外，由于sn2+极易氧化，过量的锡空位严重削弱了晶体管栅控能力，导致晶体管器件开关比数据较低，阈值电压很高。利用异质结生成的方法来延缓钙钛矿结晶速率，有效降低锡基钙钛矿半导体的缺陷态密度，实现大面积高质量薄膜的生长的同时提高薄膜稳定性，是一项很有价值的解决方案。

技术实现思路

1、本发明提供了一种硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管[化学式：sns/((cs0.02(fa0.9dea0.1)0.98)0.99eda0.01)9pea2sn10i31]及其制备方法；异质结锡基钙钛矿晶体管为底栅顶接触式结构，晶体管由上至下依次是源/漏电极、p型锡基钙钛矿半导体层、介电层以及衬底。在制备好的介电层衬底上匀胶制备锡基钙钛矿薄膜，其中将硫源添加剂[化学式：c2h6n4s]加入锡基钙钛矿前驱液中，利用加热反应时硫元素的断键重组生成硫化亚锡与锡基钙钛矿异质结，从而实现对薄膜生长调控来提升晶体管电学性能的目的。

2、实现本发明目的具体技术方案是：

3、一种硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜结晶体管的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

4、步骤1：硫源掺杂剂与锡基钙钛矿半导体前驱液的配置

5、a1：硫源掺杂剂的选择与配置

6、选取冠能团化的硫脲作为硫源掺杂剂，利用加热反应时硫元素的断键重组生成硫化亚锡；以20-40 mg/ml的质量体积比溶解在有机溶剂中，称为s溶液；其中，所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、化学式：hcon(ch3)2和二甲基亚砜、化学式：(ch3)2so体积比为4∶1的有机溶剂；

7、a2：2d-3d锡基钙钛矿半导体前驱液的配置

8、将碘化苯乙胺、化学式：c8h12in，以1-1.6 m的浓度溶解在有机溶剂中，称为peai溶液；将甲脒氢碘酸盐、化学式：ch5in2，以0.5-0.8 m的浓度溶解在有机溶剂中，称为fai溶液；将二碘乙二铵、化学式：c2h10i2n2，以0.01-0.02 m的浓度溶解在有机溶剂中，称为edai2溶液；将二乙胺碘、化学式：c4h12in，以0.01-0.02 m的浓度溶解有机溶剂中，称为deai溶液；将碘化亚锡、化学式：sni2，以0.5-0.8 m的浓度溶解在有机溶剂中，称为sni2溶液；将氟化亚锡、化学式：snf2，以0.01-0.02 m的浓度溶解在sni2溶液中，称为sni2- snf2溶液；将碘化铯、化学式：csi，以0.01-0.02 m的浓度溶解在sni2-snf2溶液中，称为csi-sni2-snf2溶液；其中，所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、化学式：hcon(ch3)2和二甲基亚砜、化学式：(ch3)2so体积比为4∶1的有机溶剂；

9、将所述peai溶液、fai溶液、edai2溶液、deai溶液及csi-sni2-snf2溶液分别放在加热板上以40 ℃-80 ℃磁力搅拌溶解2-12小时；

10、a3：硫源掺杂的2d-3d锡基钙钛矿半导体前驱液的配置

11、将s溶液、peai溶液、fai溶液、edai2溶液、deai溶液、csi-sni2-snf2溶液按照体积比1-5∶5-10∶18-20∶1-5∶1-5∶20-25混合形成具有硫元素掺杂的2d-3d锡基钙钛矿半导体前驱液；将所述硫源掺杂的2d-3d锡基钙钛矿半导体前驱液放置在40-80℃热板磁力搅拌0.5-1小时进行充分混合；

12、步骤2：硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管的制备

13、b1：衬底的清洗

14、将衬底依次使用丙酮、异丙醇超声清洗10-15 min，超声功率在20-40 w，使用氮气枪吹干待用；

15、b2：介电层制备

16、将清洗干净的衬底放置在等离子体处理机中处理90-150秒；沉积氧化硅、氧化铪、氧化铝或铪锆氧介电层；

17、b3：锡基钙钛矿半导体层薄膜的制备

18、吸取步骤a3制备的前驱液滴加到介电层表面使其均匀铺展，采用旋涂仪在4000-7000 rpm的转速下匀胶60-90秒；在惰性气体环境下，将附着前驱液的衬底放置于加热板上以90-120℃加热退火10-20分钟；制备的半导体薄膜厚度范围为30-60纳米，即得到锡基钙钛矿半导体层薄膜的制备；

19、b4：源漏电极的制备

20、采用真空热蒸发镀膜技术，在真空10-5~10-4 pa条件下，利用图案化掩膜版在制备有锡基钙钛矿半导体层薄膜上蒸镀厚度为30-80纳米的金作为晶体管的源极和漏极，制得所述硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管；其中，热蒸镀电流为60-70 a，速率为0.2-0.4 å/s。

21、步骤a1中，所述硫源掺杂剂为硫脲、化学式ch4n2s，脒基硫脲、化学式c2h6n4s，n-苯基硫脲、化学式c6h5nhcsnh，n-乙基硫脲、化学式c2h5nhcsnh2和4-氟苯硫脲、化学式c6h4nhcsnh2中的一种。

22、步骤b1中，所述衬底为硅、玻璃或蓝宝石刚性衬底和聚乙烯醇(pva)、聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)或纸片柔性衬底中的一种。

23、步骤b2中，所述介电层为100-300 nm氧化硅、30-100 nm氧化铪、50-200 nm氧化铝或10-60 nm铪锆氧。

24、步骤b3中，所述惰性气体为氮气或氩气。

25、一种上述方法制得的硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管。

26、本发明所制备的硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管，相对于非异质结结构2d-3d锡基钙钛矿薄膜晶体管，其电学性能得到了明显的提升，重要的是在稳定性上也得到了很大的改善。本发明利用简单有效的异质结构造的手段实现了高性能锡基钙钛矿薄膜晶体管器件的制备，具有成本低廉、工艺步骤简单的优势。

技术特征：

1.一种硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜结晶体管的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a1中，所述硫源掺杂剂为硫脲、化学式ch4n2s，脒基硫脲、化学式c2h6n4s，n-苯基硫脲、化学式c6h5nhcsnh，n-乙基硫脲、化学式c2h5nhcsnh2和4-氟苯硫脲、化学式c6h4nhcsnh2中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b1中，所述衬底为硅、玻璃或蓝宝石刚性衬底和聚乙烯醇(pva)、聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)或纸片柔性衬底中的一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤b2中，所述介电层为100-300 nm氧化硅、30-100 nm氧化铪、50-200 nm氧化铝或10-60 nm铪锆氧。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b3中，所述惰性气体为氮气或氩气。

6.一种权利要求1所述方法制得的硫化亚锡-锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管。

技术总结本发明公开了一种硫化亚锡‑锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管及制备方法；所述器件沟道主体材料为强P型2D‑3D锡基钙钛矿，其化学式为((Cs<subgt;0.02</subgt;(FA<subgt;0.9</subgt;DEA<subgt;0.1</subgt;)<subgt;0.98</subgt;)<subgt;0.99</subgt;EDA<subgt;0.01</subgt;)<subgt;9</subgt;PEA<subgt;2</subgt;Sn<subgt;10</subgt;I<subgt;31</subgt;。器件为底栅顶接触式结构，其制备过程包括衬底的表面处理，半导体沟道层沉积，源漏电极物理沉积。本发明的特点在于硫源掺杂剂的选择，利用化学反应生成硫化亚锡与锡基钙钛矿异质结，从而提升薄膜器件的整体性能。相对于非异质结结构的薄膜晶体管器件，异质结结构薄膜晶体管器件的开关比、载流子浓度、亚阈值摆幅、阈值电压以及迁移率性能都得到显著提升，尤其是在稳定性方面得到了极大提升。因此本发明提出的硫化亚锡‑锡基钙钛矿异质结薄膜晶体管的制备方法，具有制备工艺简单、成本低廉、兼具大面积制备的优势。技术研发人员：李文武,杨树章,褚君浩受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29