CN103943713A - 一种量子点/石墨烯光敏场效应管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种量子点/石墨烯光敏场效应管及其制备方法。场效应管的结构从最底层往上依次为：硅基衬底层、二氧化硅层、石墨烯层、电极层以及位于石墨烯层上方并处于电极层中间沟道位置的量子点层。该场效应管的制备过程是，首先采用现有成熟技术制备硅基衬底层和二氧化硅层，其次采用湿法转移法在二氧化硅层上面制备石墨烯层，然后采用多源有机气相沉积的方法制备电极层（即源极和漏极电极），最后采用层层覆盖的方法在电极层中间的沟道位置制备量子点层。本发明通过先蒸镀电极后涂覆量子点层的方法巧妙的将量子点层涂覆在电极中间沟道区域，并附着在石墨烯层上方，形成量子点和石墨烯材料的物理复合。该场效应管对红外波段的入射光具有较高的响应度。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料及光电器件领域，涉及到一种光敏感场效应管，特别是一种基于量子点/石墨烯的红外波段光敏感场效应管。
背景技术
传统的场效应晶体管是利用栅极电压控制导电沟道中载流子数目实现其功能的。制作方法较为成熟，器件成型也较为稳定。从它的工作过程来看，场效应晶体管的源极和漏极是可以互换的，即场效应晶体管的源极和漏极具有对称性，在实际使用过程中这一性质避免了反接造成电路损坏的可能，普通晶体管是不容易做到的。其次，场效应晶体管的噪声系数低，并且具有很强的防辐射能力。
在传统硅基器件日益趋近物理极限的背景下，含有量子点或者石墨烯的场效应管作为一种新型纳米器件受到了广泛关注。量子点的三个维度上的尺寸都在纳米量级，从材料维数受限的角度来看，当材料在不同方向上的维度尺寸小于该材料的费米波长时，材料中电子在该方向上的运动受限，导致其物理特性、光学特性发生了很大的变化。而石墨烯本身作为一种碳的特殊结构，具有极高迁移率和高载流子速度，电子在其中的运动速度远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
量子点与石墨烯材料的结合，既综合了量子点独特的可调谐的光学特性、发光效率较高，又兼备石墨烯材料室温导电速度最快、导热能力最强、比表面积大等优点，具有优越的光可调谐性和光催化性，这也是改善电子-空穴电荷分离及其电子转移效率的一条有效途径，在柔性光电材料、太阳能电池、传感探测等诸多领域中具有很好的应用前景，其中用来做场效应管的研究近几年也是日渐增多。
石墨烯材料与量子点材料的共同优势，可实现对入射光的快速响应，并且可以对相应波长进行宽带宽调谐，在近红外及中红外波段均可实现较高的响应，已有实验及前期工作也证明了这种器件可以在室温下稳定工作，不需要低温条件的限制，因此对于这种新型量子点场效应管的器件化和产业化也奠定了坚实的可行性实践基础。在过去的几年中，研究人员已经调查和研究了多种不同的材料系统和纳米结构，以制造新型的场效应晶体管（FET），包括碳纳米管（CNTs）和石墨烯，Si纳米线和SiGe半导体场效应晶体管，以及Ge和InGaAs场效应管，基于各种新材料的场效应管也在不断涌现。
随着场效应管尺度的缩小，器件加工很难保证均匀性，器件的加工精度及掺杂均匀性也成为制约。当器件尺度达到纳米尺寸时，器件中的掺杂原子数也将会降到几百甚至几十的程度。使得场效应管的电学稳定性变差。
发明内容
本发明目的是解决小尺寸场效应管因受加工精度和掺杂均匀性制约而影响场效应管的电学特性稳定性及提高载流子输运能力问题，提出一种新型的量子点/石墨烯光敏场效应管，并公开了这种场效应管的详细制备方法。
本发明公开的新型场效应管是一种基于量子点/石墨烯实现电子高迁移率的光敏场效应管，可以通过外界光的变化来改变器件的工作形式。在入射光作用下可以实现量子点的高载流子浓度以及通过石墨烯的高迁移率实现对载流子的传输，从而控制漏极的电流输出。
本发明提供的的量子点/石墨烯光敏场效应管整体结构由多层不同材质复合组成，从最底层往上依次为：
硅基衬底层，该层为N型或者P型高掺杂单晶硅层，厚度在3±0.5μm；
二氧化硅层，该层紧挨硅基衬底层上方，厚度为300±5nm；
石墨烯层，该层在二氧化硅层上方，为单层的石墨烯；
电极层，该层在石墨烯层上方，中间留有沟道，沟道两侧的电极层分别为用作场效应管的源极和漏极，从源极和漏极引出导电线用于测试和器件工作，电极层厚度为200±5nm，电极材质可以相同或者不同，材质相同时源极和漏极可以互换使用；
量子点层，该层也位于石墨烯层上方，并处于电极层中间的沟道位置。量子点层可以制备为单层量子点，也可以制备为多层量子点，因不同量子点的差异每层厚度在20±5nm。
本发明中涉及的量子点/石墨烯光敏场效应管是逐层制备的，基于该场效应管的特定结构，从衬底层到电极层需逐步进行制备，具体的制作过程如下：
第1、硅基衬底层和二氧化硅层的制备
所述的硅基衬底层和二氧化硅层的制备均采用现有成熟技术。
第2、石墨烯层的制备
所述的石墨烯层制备过程，本发明中采用湿法转移的方法，具体方法如下：
1）单层石墨烯是生长在超薄铜箔表面，在转移前用PMMA进行石墨烯的保护，采用低浓度的PMMA溶液（用乙酸乙酯对PMMA进行稀释，PMMA体积分数为5%），通过匀胶台高速旋转涂覆在铜箔表面，形成PMMA/石墨烯/铜箔层对石墨烯进行保护；
2）将PMMA/石墨烯/铜箔置于稀释后的铜箔腐蚀液中（稀释比例为腐蚀液：去离子水=30:1），腐蚀液的容器底部放置第1步制备的二氧化硅/硅基衬底层，开始腐蚀铜箔，PMMA/石墨烯最终会与二氧化硅/硅基衬底层附着在一起，形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层；
3）对PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层用去离子水进行三次冲洗，去除铜箔腐蚀液残留；TAMFNXZLNWX3K
4）在PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层的上表面滴加丙酮溶液，溶解掉上表面的PMMA保护层，并等待丙酮挥发完全；
5）对步骤4）处理过的器件用去离子水清洗三次，去除丙酮残留；
6）对步骤5）处理过的器件进行100-120℃下焙烧15-20分钟，去除可能残留的去离子水，石墨烯就会干燥并附着在二氧化硅层上面。
第3、电极层，即源极和漏极电极的制备
在实际应用中电极可以设计为多种样式，本发明中电极设计为“T”型，所述电极层采用多源有机气相沉积的方法制备而成。对于场效应管来讲，源极和漏极可以为相同或者不同的金属制备，材质相同时源极和漏极两个电极可以互相转换。具体制作过程如下：
蒸镀腔初步抽低真空，当真空度达到102 Pa，系统自动进行分子泵抽真空，直到真空度值为3×10-4Pa。逐步增加钨舟电流，3分钟调节一次，每次增加5~6A，同时观察材料状态变化。电流至125A并且金属达到沸腾状态以后，观察石英晶体监测仪示数变化，当示数变化达到每秒10Hz时，迅速打开遮挡板，根据制膜厚度的要求，当监测仪的示数变化达到要求时，迅速关闭挡板；此时完成蒸镀过程，电极厚度在200nm。
当两个电极材料为不同金属时，需要采用单电极模板进行两次电极蒸镀工作，先进行低沸点金属电极蒸镀再进行高沸点电极蒸镀，蒸镀过程与两电极为相同金属时相同。
第4、量子点层制备
该层采用层层覆盖的方法进行制备，可以方便的控制层数及该层的厚度。
首先设定匀胶台转速为2000-3000rpm；当转速稳定后，取一滴量子点溶液滴于旋转的第3步制备的器件上面，等待10秒到器件干燥，再依次滴三滴稀释后的乙二硫醇溶液、两滴乙腈溶液、两滴甲苯溶液。每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后进行下一滴。
以上为单层量子点的制备过程，可以通过重复多次滴加的方法，来控制量子点层数及层的厚度，可以得到性能不一的场效应管。
本发明的优点和有益效果：
本发明衬底的制备采用现有技术比较成熟的方法，可靠性和稳定性高而且成本较低。通过先蒸镀电极后涂覆量子点层的方法巧妙的将量子点层涂覆在电极的中间沟道区域，并附着在石墨烯的上方，形成量子点和石墨烯材料的物理复合。该场效应管对红外波段的入射光具有较高的响应度。
附图说明
图1 场效应管正视图。
图2 场效应管俯视图。
图3 制备流程图。
图4电极模板到器件成型图。
图释：1. 硅基衬底层（N型或者P型高掺杂单晶硅层）， 2. 二氧化硅层， 3. 石墨烯层， 4. 电极层， 5. 量子点层。
具体实施方式
下面将结合说明书的详细介绍及说明书附图，列举本发明的具体实施过程。
实施例：
一、量子点/石墨烯光敏场效应管结构
如图1所示，量子点和石墨烯场效应管的结构从底层往上依次为：硅基衬底层1、二氧化硅层2、石墨烯层3、电极层4和量子点5。
二、量子点/石墨烯光敏场效应管制备
第1、硅基衬底层和二氧化硅层的制备
利用MOCVD的方法，制备了硅基衬底层。衬底底层为高掺杂单晶硅，厚度为3μm，硅基衬底上层是氧化的二氧化硅层，厚度为300±5nm。
第2、石墨烯层的制备
该实施例中石墨烯层的制备采用的是湿法转移法，具体过程如下：
1. 对生长在超薄铜箔表面的单层石墨烯进行PMMA薄膜保护，将PMMA粉末溶解于乙酸乙酯溶液中，PMMA体积分数为5%。“石墨烯/铜箔”通过负压吸附在匀胶台台面上，通过匀胶台高速旋转涂覆在铜箔表面，匀胶台设定转速为固定的3000转每分钟，PMMA溶液逐滴滴在“石墨烯/铜箔”的表面，最终形成均匀的表面PMMA膜；
2. 铜腐蚀液进行稀释，稀释比例为腐蚀液：去离子水=30:1并倒于表面皿中，将浸入腐蚀液中，铜箔在腐蚀液表面，进行计时腐蚀50分钟，腐蚀完后的铜箔完全溶解在溶液中，PMMA/石墨烯会降落在二氧化硅/硅基衬底层的表面，形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层；
3. 对步骤2中的PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层用去离子水进行冲洗三次，去除腐蚀液残留；
4. 在PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层的上表面滴加丙酮溶液，溶解掉上表面的PMMA保护层，并等待一段时间（大约10分钟）至丙酮挥发完全，形成石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构；
5. 对石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构用去离子水清洗三次，去除丙酮残留；
6. 对石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构在120℃下进行焙烧15分钟，去除可能残留的去离子水，至此石墨烯会干燥的附着在二氧化硅层上面。
第3、电极层，即源极和漏极电极的制备
石墨烯层上方是场效应管的电极层，即源极和漏极，通过蒸镀方法获得，厚度为200nm。该实施例中电极的蒸镀过程：
本实施例中，蒸镀电极使用的金属均为高纯铝，纯度为99.995%，蒸镀的电极厚度是200nm。具体操作过程如下：
1. 取出多源有机气相沉积系统制作的模具，将待蒸镀电极的器件放入其中，模具可以根据需要进行选择性打开，以接受气态金属的附着。
2. 五根高纯铝条（99.995%）至于多源有机气相沉积系统的钨舟盖，质量分别为0.0327g、0.0308g、0.0269g、0.0344g、0.0271g。
3. 模板和金属铝放好以后，挡好遮挡板，关闭料箱电灯。通过抽真空控制板打开机械泵，利用机械泵进行初步抽真空，当真空度达到102 Pa，系统自动进行分子泵抽真空，真空度值为3×10-4Pa。
4. 通过石英晶体膜厚监测仪板，打开石英晶体膜厚监测仪进行检测。同时打开钨舟电流面板的开关，调节电流值，刚开始时，通过电流面板调节电流大小，3分钟调节一次，每次增加5~6A，同时观察材料状态变化，当电流达到120A时，铝开始熔化，熔化过程持续约5分钟。
5. 继续增加电流至125A时，铝开始沸腾。当金属铝达到沸腾状态以后，石英晶体监测仪示数变化量增加，当示数变化率达到每秒10Hz时，迅速打开挡板，根据制膜的厚度的要求，控制监测仪的示数变化值达到2000Hz要求，迅速关闭挡板。继续观察监测仪的示数变化，当示数变化达到0~1Hz时，逐步减小电流，直到为零。
6. 当电流示数为零时，停止抽真空，直到分子泵停止工作。继续观察分子泵控制器面板，分子泵转速为零。关闭压强计，充气，打开料门，停止充气，取出模具，再取出样品。
第4、量子点层制备
最后为量子点层的制备，该层采用高速旋转逐滴加入层层覆盖的方法进行制备：
1. 首先配置体积分数为2%的乙二硫醇溶液，选取溶剂为乙腈。其次，将制备的量子点材料溶解在甲苯溶液中，配置成30mg/mL的量子点溶液；
2. 设定匀胶台转速2000rpm，旋转时间60秒；
3. 一次性习惯吸取PbS量子点溶液滴一滴于高速旋转的器件表面，等待10秒到器件干燥；
4. 滴一滴体积分数为2%的乙二硫醇溶液于器件表面，等待10秒干燥，重复该步骤滴入三滴乙二硫醇溶液；
5. 依次滴加两滴乙腈溶液，第二次滴加要等待10秒第一次滴加溶液干燥；
6. 滴两滴甲苯溶液，每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后进行下一滴。
以上为单层量子点的制备过程，可以通过重复多次滴加的方法，来控制量子点层数及层的厚度，可以得到性能不一的场效应管。本实施例中进行的是两层量子点设计，厚度在60nm±2nm。本实施例中最终成型的量子点和石墨烯光敏场效应管如图4所示。
Claims (9)
1.一种量子点/石墨烯光敏场效应管，其特征在于该场效应管由最底层往上依次包括：
硅基衬底层，该层为N型或P型高掺杂单晶硅；
二氧化硅层，该层紧挨硅基衬底层上方；
石墨烯层，该层位于二氧化硅层上方；
电极层，该层在石墨烯层上方，中间留有沟道，沟道两侧的电极层分别为用作场效应管的源极和漏极；从源极和漏极引出导电线；
量子点层，该层位于石墨烯层上方，并处于电极层中间的沟道位置。
2. 如权利要求1所述的量子点/石墨烯光敏场效应管，其特征在于所述的硅基衬底层，厚度为3±0.5μm。
3. 如权利要求1所述的量子点/石墨烯光敏场效应管，其特征在于所述的二氧化硅层厚度为300±5nm。
4. 如权利要求1所述的量子点/石墨烯光敏场效应管，其特征在于所述的石墨烯层，为单层的石墨烯。
5. 如权利要求1所述的量子点/石墨烯光敏场效应管，其特征在于所述的电极层，通过蒸镀方法获得，电极厚度为200nm，电极材质可以相同或者不同，材质相同时源极和漏极可以互换使用。
6. 如权利要求1所述的量子点/石墨烯光敏场效应管，其特征在于所述的量子点层的有效区域在两个电极之间，可以制备为单层量子点，也可以制备为多层量子点，因不同量子点的差异每层厚度在20±5nm。
7. 一种权利要求1所述量子点/石墨烯光敏场效应管的制备方法，其特征在于该方法包括：
第1、硅基衬底层和二氧化硅层的制备
所述的硅基衬底层和二氧化硅层的制备均采用现有成熟技术；
第2、石墨烯层的制备
单层石墨烯层采用湿法转移的方法移植到第1步所述的二氧化硅层表面，具体方法如下：
步骤一，对生长在超薄铜箔表面的单层石墨烯用PMMA溶液进行保护，通过匀胶台高速旋转将PMMA涂覆在铜箔表面，形成PMMA/石墨烯/铜箔层结构对石墨烯进行保护；
步骤二，将PMMA/石墨烯/铜箔置于铜箔腐蚀液中，去除附着石墨烯层的铜箔；
步骤三，用去离子水冲洗PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构三次，去除铜箔腐蚀液残留；
步骤四，在PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层表面滴加丙酮溶液5滴，10分钟后用去离子水冲洗三次得到石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构；
步骤五，石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构在120℃下焙烧15-20分钟；
第3、电极层，即源极和漏极电极的制备
所述电极层采用多源有机气相沉积的方法制备而成，对于场效应管来讲，源极和漏极可以为相同或者不同的金属制备，材质相同时源极和漏极两个电极可以互相转换；具体制作过程如下：
蒸镀腔初步抽低真空，当真空度达到102 Pa，系统自动进行分子泵抽真空，直到真空度值为3×10-4Pa；逐步增加钨舟电流，3分钟调节一次，每次增加5~6A，同时观察材料状态变化；电流至125A并且金属达到沸腾状态以后，观察石英晶体监测仪示数变化，当示数变化达到每秒10Hz时，迅速打开遮挡板，根据制膜厚度的要求，当监测仪的示数变化达到要求时，迅速关闭挡板；此时完成蒸镀过程，电极厚度在200±5nm；当两个电极材料为不同金属时，需要采用单电极模板进行两次电极蒸镀工作，先进行低沸点金属电极蒸镀再进行高沸点电极蒸镀；
第4、量子点层制备
该层采用层层覆盖的方法进行制备，可以方便的控制层数及该层的厚度；
首先设定匀胶台转速为2000rpm-3000rpm；当转速稳定后，取一滴量子点溶液滴于旋转的第3步制备的器件上面，等待10秒到器件干燥，再依次滴三滴稀释后的乙二硫醇溶液、两滴乙腈溶液、两滴甲苯溶液；
每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后进行下一滴；
以上为单层量子点的制备过程，可以通过重复多次滴加的方法，来控制量子点层数及层的厚度，可以得到性能不一的场效应管。
8. 如权利要求7所述方法，其特征在于第2步的步骤一中用乙酸乙酯对PMMA进行稀释，PMMA体积分数为5%。
9. 如权利要求7所述方法，其特征在于第2步的步骤二中铜箔腐蚀液稀释比例为腐蚀液：去离子水=30:1，腐蚀液的容器底部放置二氧化硅/硅基衬底层，铜箔溶解在腐蚀液中形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基衬底层结构。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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