CN102738191A - 一种制备量子点场效应晶体管列阵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备量子点场效应晶体管列阵的方法，包括：选择外延片，在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，其中同一行的源极在光刻时连在一起；在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触；蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起；在表面蒸镀绝缘层，并在外延片两端露出各行的源栅电极焊台；光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；以及涂光刻胶，实现保护和表面钝化。利用本发明，解决了普通CCD无法有效进行弱光探测的问题，达到了低功耗、在微弱的光照条件下实现图像捕获的高增益弱光探测的目的。
Description
技术领域
本发明涉及弱光探测技术领域，具体是指一种可用于弱光成像探测的量子点场效应晶体管列阵的制备方法，该量子点场效应晶体管列阵是一种可以在微弱的光照条件下实现图像捕获的高增益弱光探测阵列。
背景技术
弱光探测的应用范围十分广泛，在高分辨光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气污染、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射等领域都得到了应用。而平面弱光探测阵列则因其能够获得图像信息，得到了广泛的关注。
一般的光探测平面阵列采用电荷耦合器件(CCD)来实现对图像的读取和分析。光照在深耗尽状态的MOS器件上，光照转换为电荷，存储在势阱中。对一个栅极施加高电压，在这个栅极下面便产生能存储电荷的势阱；继续对相邻的栅极施加相同的高电压时，两个栅极下面的势阱发生合并，电荷也平均分配在合并后的势阱当中；然后将第一个栅极的电压减小，第二个栅极电压不变，则第一个栅极的势阱减小，当电压减小到一定程度后，势阱完全消失，不再存储电荷，此时电荷完全转移到第二个栅极的势阱中。重复进行这一个过程即可实现电荷信号的有序输出与检测，从而实现图像的捕获。但是CCD的光电转换能力有限，在弱光条件下不能很好的将光转换为电荷，同时电荷在转移过程中还有损失，因此不适宜用于光线十分微弱的场合。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备量子点场效应晶体管列阵的方法，以解决普通CCD无法有效进行弱光探测的问题，达到低功耗、在微弱的光照条件下实现图像捕获的高增益弱光探测的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制备量子点场效应晶体管列阵的方法，包括：
选择外延片，在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，其中同一行的源极在光刻时连在一起；
在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触；
蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起；
在表面蒸镀绝缘层，并在外延片两端露出各行的源栅电极焊台；
光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；以及
涂光刻胶，实现保护和表面钝化。
上述方案中，所述外延片位于衬底之上，从下至上依次为：缓冲层、第一势垒层、重掺杂层、第二势垒层、吸收层、量子点层、第三势垒层和帽层；其中，所述衬底为砷化镓衬底；所述缓冲层是厚度为300nm的砷化镓；所述第一势垒层是厚度为500nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述重掺杂层是浓度为7.5×1013的硅重掺杂层；所述第二势垒层包括两层厚度均为15nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述吸收层是厚度为120nm的砷化镓；所述量子点层是砷化铟量子点层；所述第三势垒层包括一层厚度为30nm的砷化镓铝和一层厚度为120nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述帽层是厚度为10nm的砷化镓。
上述方案中，所述在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，包括：在外延片上涂S9912光刻胶，甩胶转速为4000转每秒，时间为50秒，厚度为1μm；在显影液中显影20秒，然后在110℃的环境中烘干20分钟；腐蚀过程中，腐蚀液采用磷酸、双氧水和水的比例为1∶1∶38配制，腐蚀3分20秒，腐蚀深度应达到第一势垒层表面，即完全腐蚀重掺杂层，腐蚀深度超过300nm。
上述方案中，所述在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触，包括：在源极和漏极蒸镀AuGeNi电极，采用分次蒸镀的方法，各层金属的厚度分别为：Ni 25nm、Au 90nm、Ge 12nm、Ni10nm、Au 350nm；进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触，退火温度为450℃，时间1分钟。
上述方案中，所述在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触之后，还包括：源极金属电极在外延片两端引出，用作外加电压用，形成电压选择通路。
上述方案中，所述蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起，包括：蒸镀NiCr合金透明电极，厚度为10nm，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起。在蒸镀NiCr合金透明电极时要保证台面侧壁也能蒸镀上金属，栅条在两端引出焊台，方便施加栅电压。
上述方案中，所述在表面蒸镀绝缘层，是在表面蒸镀二氧化硅或SU-8胶，厚度为400nm。所述光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起，包括：光刻并腐蚀二氧化硅或SU-8胶露出漏电极，然后蒸镀TiAu或CrAu合金，采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；漏电极条在一端引出，形成电流信号输出通路。
上述方案中，所述涂光刻胶，实现保护和表面钝化，是涂SU-8胶，厚度约400nm，实现保护和表面钝化，并预留出所有电极引线焊台。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，解决了普通CCD无法有效进行弱光探测的问题，达到了低功耗、在微弱的光照条件下实现图像捕获的高增益弱光探测的目的。
2、本发明提供的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，制作过程包括光刻、腐蚀、蒸金属等步骤，工艺相对简单，具有较好的重复和批量化生产的能力。
3、本发明提供的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，制备的量子点场效应晶体管列阵工作电压小于5V，相比雪崩二极管光电探测器工作电压非常低，故能耗很小。
4、本发明提供的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，制备的量子点场效应晶体管列阵通过利用量子点捕获光生载流子，改变栅源微分电导，从而相对显著地改变源漏之间电流大小来进行弱光探测。量子点对单个载流子的限制作用很强，故能够有效探测到非常弱的光信号，并且探测效率高。
5、本发明提供的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，探测阵列的基本单元是量子点结构的场效应晶体管。量子点通过俘获光生载流子，能够有效地改变栅源微分电导，从而相对显著地改变源漏之间电流大小。单元器件之间不存在电荷转移过程，每个单元器件独立完成光生电荷的栅控源漏电流放大，得到信号的高光电流增益。
附图说明
图1是依照本发明实施例的制备量子点场效应晶体管列阵的方法流程图；
图2是依照本发明实施例的外延片的结构示意图；
图3至图7是依照本发明实施例在衬底上生长量子点场效应晶体管列阵的工艺流程图；
图8是依照本发明实施例制备的量子点场效应晶体管列阵的表面连接图；其中同一行的源极由金属连接在一起，形成电压选择线；同一列的器件的漏极由金属连接在一起，形成电流信号输出线。源极和和漏极之间存在绝缘层以达到信号隔离的目的。
图9是依照本发明实施例制备的量子点场效应晶体管列阵构成的平板探测阵列的概要图；图中可以看出，横向的较粗的线为电压选择线，点划线为施加栅极电压的导线。纵向线为电流信号输出线。右侧的细节图中的单个器件即为基于量子点结构的场效应晶体管。
图10是依照本发明实施例制备的量子点场效应晶体管列阵构成的平面探测阵列的外围电路框图，包括光收集、电压的选择和电信号的输出与检测。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的制备量子点场效应晶体管列阵的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：选择外延片，在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，其中同一行的源极在光刻时连在一起；
步骤2：在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触；
步骤3：蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起；
步骤4：在表面蒸镀绝缘层，并在外延片两端露出各行的源栅电极焊台；
步骤5：光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；以及
步骤6：涂光刻胶，实现保护和表面钝化。
上述步骤1中所述外延片位于衬底之上，从下至上依次为：缓冲层、第一势垒层、重掺杂层、第二势垒层、吸收层、量子点层、第三势垒层和帽层；其结构如图2所示。其中，所述衬底为砷化镓衬底；所述缓冲层是厚度为300nm的砷化镓；所述第一势垒层是厚度为500nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述重掺杂层是浓度为7.5×1013的硅重掺杂层；所述第二势垒层包括两层厚度均为15nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述吸收层是厚度为120nm的砷化镓；所述量子点层是砷化铟量子点层；所述第三势垒层包括一层厚度为30nm的砷化镓铝和一层厚度为120nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述帽层是厚度为10nm的砷化镓。
如图3所示，在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，包括：在外延片上涂S9912光刻胶，甩胶转速为4000转每秒，时间为50秒，厚度为1μm；在显影液中显影20秒，然后在110℃的环境中烘干20分钟；腐蚀过程中，腐蚀液采用磷酸、双氧水和水的比例为1∶1∶38配制，腐蚀3分20秒，腐蚀深度应达到第一势垒层表面，即完全腐蚀重掺杂层，腐蚀深度超过300nm。其中，图3(a)是俯视图，图3(b)是沿图3(a)中虚线的剖视图。
如图4所示，在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触，包括：在源极和漏极蒸镀AuGeNi电极，采用分次蒸镀的方法，各层金属的厚度分别为：Ni 25nm、Au 90nm、Ge 12nm、Ni 10nm、Au 350nm；进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触，退火温度为450℃，时间1分钟。所述在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触之后，还包括：源极金属电极在外延片两端引出，用作外加电压用，形成电压选择通路。其中，图4(a)是俯视图，图4(b)是沿图4(a)中虚线的剖视图。
如图5所示，蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起，包括：蒸镀NiCr合金透明电极，厚度为10nm，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起。在蒸镀NiCr合金透明电极时要保证台面侧壁也能蒸镀上金属，栅条在两端引出焊台，方便施加栅电压。其中，图5(a)是俯视图，图5(b)是沿图5(a)中虚线的剖视图。
如图6所示，在表面蒸镀绝缘层，是在表面蒸镀二氧化硅或SU-8胶，厚度为400nm。其中，图6(a)是俯视图，图6(b)是沿图6(a)中虚线的剖视图。
如图7所示，光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起，包括：光刻并腐蚀二氧化硅或SU-8胶露出漏电极，然后蒸镀TiAu或CrAu合金，采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；漏电极条在一端引出，形成电流信号输出通路。其中，图7(a)是俯视图，图7(b)是沿图7(a)中虚线的剖视图。
步骤6中所述涂光刻胶，实现保护和表面钝化，是涂SU-8胶，厚度约400nm，实现保护和表面钝化，并预留出所有电极引线焊台。
图8是依照本发明实施例制备的量子点场效应晶体管列阵的表面连接图；其中同一行的源极由金属连接在一起，形成电压选择线；同一列的器件的漏极由金属连接在一起，形成电流信号输出线。源极和和漏极之间存在绝缘层以达到信号隔离的目的。
图9是依照本发明实施例制备的量子点场效应晶体管列阵构成的平板探测阵列的概要图；图中可以看出，横向的较粗的线为电压选择线，点划线为施加栅极电压的导线。纵向线为电流信号输出线。右侧的细节图中的单个器件即为基于量子点结构的场效应晶体管。
图10是依照本发明实施例制备的量子点场效应晶体管列阵构成的平面探测阵列的外围电路框图，包括光收集、电压的选择和电信号的输出与检测。本发明所制备得到的平面列阵可以使用逐行扫描的方法进行弱光探测。在外界光照的作用下，加偏压的探测器的电流会发生明显的变化。通过数据选择电路依次对各行探测器施加电压，即可实现每一行电信号的单独输出。每一行电信号经过电流电压转换、模数转换等步骤之后，送入计算机中处理并存储起来。在一个周期电压施加完毕之后，即可得到一副完整的被测图像。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，包括：
选择外延片，在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，其中同一行的源极在光刻时连在一起；
在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触；
蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起；
在表面蒸镀绝缘层，并在外延片两端露出各行的源栅电极焊台；
光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；以及
涂光刻胶，实现保护和表面钝化。
2.根据权利要求1所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述外延片位于衬底之上，从下至上依次为：缓冲层、第一势垒层、重掺杂层、第二势垒层、吸收层、量子点层、第三势垒层和帽层；
其中，所述衬底为砷化镓衬底；所述缓冲层是厚度为300nm的砷化镓；所述第一势垒层是厚度为500nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述重掺杂层是浓度为7.5×1013的硅重掺杂层；所述第二势垒层包括两层厚度均为15nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述吸收层是厚度为120nm的砷化镓；所述量子点层是砷化铟量子点层；所述第三势垒层包括一层厚度为30nm的砷化镓铝和一层厚度为120nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述帽层是厚度为10nm的砷化镓。
3.根据权利要求1所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述在外延片上涂光刻胶，对外延片腐蚀出台面，形成源漏沟道，包括：
在外延片上涂S9912光刻胶，甩胶转速为4000转每秒，时间为50秒，厚度为1μm；在显影液中显影20秒，然后在110℃的环境中烘干20分钟；腐蚀过程中，腐蚀液采用磷酸、双氧水和水的比例为1∶1∶38配制，腐蚀3分20秒，腐蚀深度应达到第一势垒层表面，即完全腐蚀重掺杂层，腐蚀深度超过300nm。
4.根据权利要求1所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触，包括：
在源极和漏极蒸镀AuGeNi电极，采用分次蒸镀的方法，各层金属的厚度分别为：Ni 25nm、Au 90nm、Ge 12nm、Ni 10nm、Au 350nm；
进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触，退火温度为450℃，时间1分钟。
5.根据权利要求4所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触之后，还包括：
源极金属电极在外延片两端引出，用作外加电压用，形成电压选择通路。
6.根据权利要求1所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述蒸镀透明电极，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起，包括：
蒸镀NiCr合金透明电极，厚度为10nm，在源漏电极之间光刻出栅条，其中同一行的栅条连在一起。
7.根据权利要求6所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，
在蒸镀NiCr合金透明电极时要保证台面侧壁也能蒸镀上金属，栅条在两端引出焊台，方便施加栅电压。
8.根据权利要求1所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述在表面蒸镀绝缘层，是在表面蒸镀二氧化硅或SU-8胶，厚度为400nm。
9.根据权利要求8所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述光刻并腐蚀绝缘层露出漏电极，然后蒸镀合金，并采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起，包括：
光刻并腐蚀二氧化硅或SU-8胶露出漏电极，然后蒸镀TiAu或CrAu合金，采用剥离技术使得同一列的漏电极连在一起；漏电极条在一端引出，形成电流信号输出通路。
10.根据权利要求1所述的制备量子点场效应晶体管列阵的方法，其特征在于，所述涂光刻胶，实现保护和表面钝化，是涂SU-8胶，厚度约400nm，实现保护和表面钝化，并预留出所有电极引线焊台。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20121017 |