[发明专利]一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管

说明书

本发明提供了一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，包括底部栅极层、底栅绝缘层、源极层、半导体层和漏极层，所述垂直结构场效应晶体管的顶部和底部分别为所述底部栅极层、所述漏极层，所述底栅绝缘层位于所述底部栅极层与所述源极层之间，所述半导体层位于所述漏极层与所述源极层之间，所述半导体层为钙钛矿单晶薄片，厚度等于导电沟道的长度。本发明的基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管克服了钙钛矿晶界所造成的负面影响，从而有效的提高了电荷传输，并且这种垂直结构的器件减小了导电沟道长度，极大的提高了器件的工作电流并降低了器件的阈值电压。

技术领域

本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管。

背景技术

最近，新型材料甲氨基卤化铅钙钛矿(CH₃NH₃PbX₃,X＝卤素)，因具有独特的结构使其具有了优异的光电特性，如带隙可调，高吸光系数，高载流子迁移率以及超长的载流子传输长度等。自2009年以来这种新型半导体材料已经广泛地应用于太阳能电池，发光二极管，激光器以及光电探测器等光电子器件中。目前，一些团队也探索了这种材料在场效应晶体管上的应用，这将有助于揭示该材料的电荷传输的本质。现阶段，一些基于平面结构的钙钛矿场效应晶体管已有了一些开创性的研究。Cesare团队首次报道了CH₃NH₃PbI₃钙钛矿在78K温度下具有双极性特性；Duan团队随后证明了CH₃NH₃PbI₃钙钛矿在77K温度下电子迁移率高于1.0cm²V^-1s^-1；Jurchescu团队报道在室温下CH₃NH₃PbI_3-xCl_x的空穴和电子迁移率超过了10cm²V^-1s^-1；Henning组发现了载流子的迁移具有温度依赖性，并揭示了三种不同温度状态下的负迁移系数。尽管钙钛矿场效应晶体管的性能不断提高，但和一些无机材料相比，载流子迁移率仍然很低。这与钙钛矿材料的形态和质量有很大的关系，目前，太阳能电池，光电探测器，光电二极管等光电器件中使用的钙钛矿材料大多数都是几百纳米的多晶薄膜，它们的尺寸比器件的沟道长度小很多，并且晶界也会影响电荷在水平方向上的传输，使电荷耦合变弱。

钙钛矿场效应晶体管的性能不仅与钙钛矿材料的形态和质量有关，而且还和器件的导电沟道长度有关。20世纪80年代，垂直结构场效应晶体管在传统半导体器件中首次被报道，由于其器件结构特殊，已经受到了广泛的关注。目前，垂直结构场效应晶体管的研究主要集中在有机半导体和无机材料上，如WS₂，WSe₂，MoS₂，DPA等。与传统的平面结构场效应晶体管相比，垂直结构场效应晶体管的导电沟道长度小很多，因为该结构的导电沟道长度是由半导体层材料的厚度决定的，并且这种短沟道的器件可以减少载流子的渡越时间，有利于提高载流子被源极和漏极有效收集的效率。

因此，有必要针对钙钛矿材料的形态、晶界和器件的导电沟道长度对电荷传输产生的影响，研究一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，针对钙钛矿材料的形态、晶界和器件的导电沟道长度对电荷传输产生的影响，提供一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于钙钛矿单晶薄片的垂直结构场效应晶体管，包括底部栅极层、底栅绝缘层、源极层、半导体层和漏极层。所述垂直结构场效应晶体管的顶部和底部分别为所述底部栅极层、所述漏极层，所述底栅绝缘层位于所述底部栅极层与所述源极层之间，所述半导体层位于所述漏极层与所述源极层之间，所述半导体层为钙钛矿单晶薄片，厚度等于导电沟道的长度。