CN103531664B - 柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，包括以下步骤，在柔性塑料衬底上通过印刷或磁控溅射方法覆盖一层金属材料，然后光刻和刻蚀形成栅电极结构的栅电极层；在栅电极层上通过电镀或磁控溅射方法覆盖一绝缘介质层；在绝缘介质层上通过印刷技术转移单层或数层的石墨烯层；在石墨烯层上通过印刷技术转移一层二硫化物薄膜，二硫化物薄膜位于石墨烯层和栅介质层之上；通过印刷或磁控溅射的方法分别在石墨烯层和二硫化物薄膜上淀积第一电极层和第二电极层。本发明基于柔性衬底的光电晶体管的构建方法，可以采用印刷的方法构建，制作方法简单、成本低。同时，具有柔性、轻便、体积小、集成度高的特点。

Description

柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法
技术领域
本发明涉及采用石墨烯制备隧穿晶体管和光探测器，特别涉及在柔性基底上制备的方法。
背景技术
随着便携式消费产品的需求量的不断增多，柔性塑料衬底因为其柔软、轻便、成本低的特点受到越来越多的关注。在柔性衬底上制备高性能的光电器件成为热门课题之一。由于柔性衬底对温度极其敏感，传统的Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体（例如硅和砷化镓）的加工工艺多涉及到高温生长和高温处理工艺，所以难以制备在柔性衬底之上。而在低温下制备的材料大多数会牺牲材料的光电特性，因此器件特性远远不如在高温条件下所制备的器件特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种低温、低成本、高性能光电器件的制作方法，从而提供了一种柔性衬底上制备石墨烯光电晶体管的构建方法。该器件可以作为隧穿晶体管或光探测器使用，具有柔软、轻便、体积小、集成度高、性能高的特点。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，包括以下步骤：
步骤一）在柔性塑料衬底上通过印刷或磁控溅射方法覆盖一层金属材料，然后光刻和刻蚀形成栅电极结构的栅电极层；
步骤二）在所述栅电极层上通过电镀或磁控溅射方法覆盖一绝缘介质层；
步骤三）在所述绝缘介质层上通过印刷技术转移单层或数层的石墨烯层；
步骤四）在所述石墨烯层上通过印刷技术转移一层二硫化物薄膜，所述二硫化物薄膜位于石墨烯层和栅介质层之上；
步骤五）通过印刷或磁控溅射的方法分别在石墨烯层和二硫化物薄膜上淀积第一电极层和第二电极层。
进一步的，步骤一中所述金属材料可以为铬、钛或铝，厚度为100～300纳米。
进一步的，步骤二中所述绝缘介质层材料为氮化硅、氧化硅、氧化铪或氧化铝。
优选的，步骤三中通过掺杂的方法改变所述石墨烯层的导电性质。
优选的，步骤三中通过在栅电极上施加电压控制石墨烯层的能带结构，从而改变光电晶体管的光电特性。
进一步的，步骤四中所述二硫化物薄膜为MoS2或WS2半导体层，厚度为10～300纳米。
进一步的，步骤五中沉积的第一电极层和第二电极层厚100～300纳米，采用铬、钛、铝或金制成。
优选的，所述第一电极层和所述第二电极层可以为同一种材料，也可以为不同的材料。
本发明的有益效果是:
在制备柔性衬底上的光电器件时，采用了石墨烯等二维原子晶体材料。首先在其它衬底上获取高质量的材料，然后通过印刷的方法在低温下制备在目标柔性衬底上，保持了材料在高温下的光电特性，从而在低温下获得了高性能的柔性光电器件。本发明所述基于柔性衬底的光电晶体管的构建方法，可以采用印刷的方法构建，制作方法简单、成本低。同时，具有柔性、轻便、体积小、集成度高的特点。有望在低成本、高性能光电器件中得到应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1光电器件结构示意图；
图2步骤一示意图；
图3步骤二示意图；
图4步骤三示意图；
图5步骤四示意图；
图6步骤五示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
本发明所提出的光电器件的结构示意图如图1所示。该器件采用印刷的方法形成于柔性塑料衬底1之上，包括一栅电极层2，一绝缘介质层3，一石墨烯层4、二硫化物薄膜5、第一电极层6，第二电极层7。所述栅电极层2位于柔性塑料基板1之上，所述绝缘介质层3位于柔性塑料基板1和栅电极层2之上，所述石墨烯层4位于覆盖栅电极2的绝缘介质层3之上，所述单层或数层原子层二硫化物薄膜5位于所述石墨烯层4之上，所述电极层6和电极层7分别位于石墨烯层4和二硫化物薄膜5的一端之上，且无任何交叠，同时又在栅电极层2、石墨烯层4、和二硫化物薄膜5的交叠区之外。
该柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，包括以下步骤：
步骤一）如图2所示，所用衬底为柔性塑料衬底1，在柔性塑料衬底1上覆盖一层金属材料，金属材料可以为铬、钛、铝等，厚度为100～300纳米。生长该金属材料的方法可以是印刷或磁控溅射。然后光刻和刻蚀形成栅电极结构。
步骤二）如图3所示，在栅介质层2上覆盖一绝缘介质层3，该绝缘介质层3可以为氮化硅、氧化硅或者高κ介质如氧化铪、氧化铝等。生长该绝缘介质层的方法可以为电镀，也可以为磁控溅射。
步骤三）如图4所示，在绝缘介质层3之上生长一石墨烯层4，可以为单层或数层石墨烯。通过印刷技术转移在栅介质层2和绝缘介质层3上。可以通过掺杂的方法，改变石墨烯层4的导电性质，也可以通过在栅介质层2上施加电压控制石墨烯层4的能带结构，改变光电晶体管的光电特性。
步骤四）如图5所示，在石墨烯层4上制备一层二硫化物薄膜5，其厚度可为10～300纳米。其中二硫化物薄膜5为MoS2或WS2半导体层，可通过印刷技术转移在石墨烯层4和栅介质层3覆盖的栅电极层2之上。
步骤五）如图6所示，由印刷或磁控溅射的方法淀积一层100～300纳米厚的钛金复合膜，制成金属引出电极和互连线，第一电极层6和第二电极层7为金属材料，如铬、钛、铝或金等。第一电极层6和第二电极层7可以为同一种材料，也可以为不同的材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一)在柔性塑料衬底上通过印刷或磁控溅射方法覆盖一层金属材料，然后光刻和刻蚀形成栅电极结构的栅电极层；
步骤二)在所述栅电极层上通过电镀或磁控溅射方法覆盖一绝缘介质层；
步骤三)在所述绝缘介质层上通过印刷技术转移单层或数层的石墨烯层；
步骤四)在所述石墨烯层上通过印刷技术转移一层二硫化物薄膜，所述二硫化物薄膜位于石墨烯层和绝缘介质层之上；
步骤五)通过印刷或磁控溅射的方法分别在石墨烯层和二硫化物薄膜上淀积第一电极层和第二电极层。
2.根据权利要求1所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：步骤一中所述金属材料为铬、钛或铝，其厚度为100～300纳米。
3.根据权利要求1所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：步骤二中所述绝缘介质层材料为氮化硅、氧化硅、氧化铪或氧化铝。
4.根据权利要求1所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：步骤三中通过掺杂的方法改变所述石墨烯层的导电性质。
5.根据权利要求1所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：步骤三中通过在栅电极上施加电压控制石墨烯层的能带结构，从而改变光电晶体管的光电特性。
6.根据权利要求1所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：步骤四中所述二硫化物薄膜为MoS2或WS2半导体层，厚度为10～300纳米。
7.根据权利要求1所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：步骤五中沉积的第一电极层和第二电极层厚100～300纳米，采用铬、钛、铝或金制成。
8.根据权利要求7所述的柔性衬底上制备石墨烯基光电晶体管的方法，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层可以为同一种材料，也可以为不同的材料。
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