CN104362212A - 一种量子点与石墨烯的光敏场效应管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点与石墨烯的光敏场效应管及其制备方法，涉及光敏场效应管领域；其中，所述光敏场效应管包括：衬底层上设置有二氧化硅层，二氧化硅层上设置有石墨烯层，石墨烯层为单层；石墨烯层上设置有电极层，电极层作为整个场效应管的源极和漏极；在电极层的中间沟道位置设置有量子点层，电极层的源极和漏极连接导电线。所述方法包括以下步骤：对衬底层和二氧化硅层的制备；采用湿法转移对石墨烯层的制备；对电极层的制备；以及对量子点层的制备。本发明可靠性和稳定性高而且成本较低；制备的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
本发明涉及光敏场效应管领域，尤其涉及一种量子点与石墨烯的光敏场效应管及其制备方法。
背景技术
场效应管发展至今，其基本的器件构成和工作原理类似，均包含三个电极，即源极、漏极和栅极。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。场效应晶体管同时具备了普通晶体管和电子管的优点，并且自身还有很多独特的性质。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。
但是随着场效应管尺度的缩小，器件加工的均匀性问题变得越来越严重，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特性稳定性变差。
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。其能级分布类似于原子能级分布，是离散化的。当量子点的尺寸越小，相邻量子点之间的相对距离就会增大，载流子的迁移率也会随之降低，不能高效率传输。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，是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。因此这一特性正弥补了量子点材料的缺陷。
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、表面积与体积比大等优点，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。
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。
发明内容
本发明提供了一种量子点与石墨烯的光敏场效应管及其制备方法，本发明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，详见下文描述：
一种量子点与石墨烯的光敏场效应管，包括：衬底层，所述衬底层上设置有二氧化硅层，
所述二氧化硅层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层为单层；所述石墨烯层上设置有电极层，所述电极层作为整个场效应管的源极和漏极；在所述电极层的中间沟道位置设置有量子点层，所述电极层的源极和漏极连接导电线。
进一步地，所述衬底层为高掺杂单晶硅层，厚度在3μm。所述二氧化硅层的厚度为300nm。所述电极层的厚度为200nm。
一种量子点与石墨烯的光敏场效应管的制备方法，所述方法包括以下步骤：
对衬底层和二氧化硅层的制备；采用湿法转移对石墨烯层的制备；
对电极层的制备；以及对量子点层的制备。
其中，所述湿法转移具体为：
1)采用低浓度的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，通过匀胶台旋转涂覆在铜箔表面，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜箔层对石墨烯进行保护；
2)将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜箔置于稀释后的铜箔腐蚀液中，腐蚀液的容器底部放置二氧化硅/硅基，开始腐蚀铜箔，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基；
3)对聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基用去离子水进行三次冲洗，去除铜箔腐蚀液残留；
4)在聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面聚甲基丙烯酸甲酯保护层，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)处理过的器件进行焙烧，去除残留的去离子水。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明中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为场效应管的正视图；
图2为场效应管的俯视图；
图3为制备方法的流程图；
图4为本发明实施例获取到的量子点和石墨烯光敏场效应管的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：衬底层； 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
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种量子点与石墨烯的光敏场效应管，光敏场效应管整体结构由多层不同材质复合组成，参见图1和图2，包括：衬底层1，衬底层1上设置有二氧化硅层2，二氧化硅层2上设置有石墨烯层3，石墨烯层3为单层；石墨烯层3上设置有电极层4，电极层4作为整个场效应管的源极和漏极；在电极层4的中间沟道位置设置有量子点层5，电极层4的源极和漏极连接导电线，用于测试器件。
其中，衬底层1具体为高掺杂单晶硅层，厚度在3μm。二氧化硅层2为厚度为300nm的二氧化硅。
电极层4，该层在石墨烯层3上方，是场效应管的源极和漏极，通过蒸镀方法获得，厚度为200nm，源极和漏极的材质相同，结构一样，两电极可以互换使用，无需强调哪个是源极，哪个是漏极。
实施例2
本发明提供的一种量子点与石墨烯的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，参见图3，下面介绍该量子点和石墨烯光敏场效应管的制作过程：
101：对衬底层1和二氧化硅层2的制备；
该制备步骤采用本领域中的现有成熟技术即可，例如：金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organicChemicalVaporDePosition，MOCVD)制备方法，衬底层1为高掺杂单晶硅，厚度为3μm，上层氧化的二氧化硅层2的厚度为300nm。
该步骤中的制备方法为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
102：采用湿法转移对石墨烯层3的制备；
1)采用低浓度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液，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1)中的PMMA/石墨烯/铜箔层置于稀释后的铜箔腐蚀液中，腐蚀液的容器底部放置二氧化硅/硅基，开始腐蚀铜箔，形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基；
3)对PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基用去离子水进行三次冲洗，去除铜箔腐蚀液残留；
4)在PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面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120℃下15分钟焙烧，去除可能残留的去离子水，石墨烯就会干燥的附着在衬底上面。
103：对电极层4的制备；
在实际应用中电极可以设计为多种样式，本发明实施例中电极设计为“工”字型，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，两个电极可以互相转换。蒸镀腔初步抽低真空，当真空度达到102Pa，系统自动进行分子泵抽真空，直到真空度值为3×10-4Pa。待环境压强达到所需值后，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。当电流至125A时，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，关闭挡板。此时完成蒸镀过程，电极厚度在200nm。
本发明实施例是以电极厚度在200nm为例进行说明，因此对应的调节时间为3分钟，每次增加5～6A。具体实现时还可以为其他的调节时间、安培数，本发明实施例对不做限制。
104：对量子点层5的制备。
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；当转速稳定后，取一滴量子点溶液滴于旋转的器件上面，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。
以上为单层量子点层5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5的层数及厚度，可以得到性能不一的场效应管；并且等待的时间根据实际应用中的需要确定，本发明实施例以10秒为例进行说明。
实施例3
本实施例中对石墨烯层3、电极层4和量子点层5的制备进行详细的说明，详见下文描述：
一、对石墨烯层3的制备；
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％。通过匀胶台高速旋转涂覆在铜箔表面，“石墨烯/铜箔”通过负压吸附在台面上，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，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/硅基的表面，形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基；
3、对步骤2中的PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基，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/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面PMMA保护层，并等待一段时间至丙酮挥发完全，形成石墨烯/二氧化硅/硅基结构；
5、对石墨烯/二氧化硅/硅基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衬底上面。
二、对电极层4的制备；
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内，质量分别为0.0327g、0.0308g、0.0269g、0.0344g和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102Pa，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。同时打开控制放置高纯铝条钨舟的电流面板，调节电流值，刚开始时，通过电流面板调节电流大小，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。
三、对量子点层5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PbSe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秒待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5的层数及厚度，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。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)
1.一种量子点与石墨烯的光敏场效应管，包括：衬底层，其特征在于，所述衬底层上设置有二氧化硅层，
所述二氧化硅层上设置有石墨烯层，所述石墨烯层为单层；所述石墨烯层上设置有电极层，所述电极层作为整个场效应管的源极和漏极；在所述电极层的中间沟道位置设置有量子点层，所述电极层的源极和漏极连接导电线。
2.根据权利要求1所述的一种量子点与石墨烯的光敏场效应管，其特征在于，所述衬底层为高掺杂单晶硅层，厚度在3μm。
3.根据权利要求1所述的一种量子点与石墨烯的光敏场效应管，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为300nm。
4.根据权利要求1所述的一种量子点与石墨烯的光敏场效应管，其特征在于，所述电极层的厚度为200nm。
5.一种用于权利要求1-4中任一权利要求所述的一种量子点与石墨烯的光敏场效应管的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对衬底层和二氧化硅层的制备；采用湿法转移对石墨烯层的制备；
对电极层的制备；以及对量子点层的制备。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述湿法转移具体为：
1)采用低浓度的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，通过匀胶台旋转涂覆在铜箔表面，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜箔层对石墨烯进行保护；
2)将聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/铜箔置于稀释后的铜箔腐蚀液中，腐蚀液的容器底部放置二氧化硅/硅基，开始腐蚀铜箔，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基；
3)对聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基用去离子水进行三次冲洗，去除铜箔腐蚀液残留；
4)在聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面聚甲基丙烯酸甲酯保护层，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)处理过的器件进行焙烧，去除残留的去离子水。
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