CN106328729A - 基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光敏场效应管技术领域，公开了一种基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管及其制备方法，由下到上依次制备作为衬底层的栅极‑高掺杂单晶硅层、作为绝缘层的氧化硅层、作为源极层的单层石墨烯；单层石墨烯上一侧制备源极金接触层作为源极传输层，另一侧制备量子点层作为垂直导电沟道；量子点层上制备金电极作为漏极层。本发明既综合了PbS/PbSe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，具有的优越的电特性和光可调谐性，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。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料及光电器件技术领域，涉及一种光敏场效应管，具体的说，是涉及一种垂直沟道型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、栅极。传统的场效应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。垂直沟道型场效应管同时具备了普通场效应管的优点和垂直沟道的很多独特的性质，从其结构组成来看，垂直沟道型场效应管的漏极、半导体层和源极垂直分布。
在传统硅基器件日益趋近物理极限的背景下，量子点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。但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，使得场效应管的电学特性和稳定性变差。而垂直沟道型场效应管可以克服传统场效应管的性能限制，可以实现异质结尺寸减小从而使得整个场效应管尺寸缩小，进而实现小操作电压下得到大的传输电流，并提高光敏场效应管的光效应灵敏度。
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种碳质新材料，具有良好的电学、光学和机械性能。单层石墨烯透明度高，导电性好，厚度仅为0.3～0.4nm，是优良的电极材料。目前，国际上以石墨烯为透明电极制备的垂直沟道场效应管主要采用有机材料作为半导体层。由于有机材料在空气中的稳定性较差，载流子迁移率也较低，由其作为半导体层制成的垂直沟道场效应管性能较差。而以性能较好的光敏量子点作为半导体沟道层的石墨烯电极垂直沟道场效应管还未有报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于目前横向场效应管随着尺度的缩小，器件加工的均匀性、加工精度及掺杂均匀性成为制约，使得电学特性、稳定性变差等缺陷；以及现有采用有机材料作为半导体沟道材料制成的石墨烯电极垂直沟道场效应管性能较差的缺陷，提供一种基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管及其制备方法，采用量子点作为半导体层、单层石墨烯作为透明电极，既综合了PbS/PbSe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，具有的优越的电特性和光可调谐性，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。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，包括作为衬底层的栅极-高掺杂单晶硅层，所述栅极-高掺杂单晶硅层上设置有二氧化硅层作为绝缘层，所述二氧化硅层上设置有单层石墨烯作为源极层；所述单层石墨烯上一侧设置有源极金接触层作为源极传输层，另一侧设置有量子点层作为垂直导电沟道；所述量子点层上设置有金电极作为漏极层；所述源极金接触层和所述金电极之间连接导线。
优选地，所述栅极-高掺杂单晶硅层的厚度为3μm。
优选地，所述二氧化硅层的厚度为300nm。
优选地，所述量子点层为PbS量子点层或PbSe量子点层。
优选地，所述量子点层的单层厚度为20-22nm，层数为3-20。
优选地，所述源极金接触层和所述金电极的厚度均为200nm。
一种上述量子点垂直沟道型光敏场效应管的制备方法，该方法按照以下步骤进行：
(1)制备所述栅极-高掺杂单晶硅层作为衬底层和所述二氧化硅层作为绝缘层；
(2)在所述二氧化硅层上转移单层石墨烯作为源极层；
(3)在所述单层石墨烯上的一侧制备源极金接触层作为源极传输层，在所述单层石墨烯上的另一侧制备量子点层作为垂直导电沟道；
(4)在所述量子点层上制备金电极作为漏极层。
优选地，步骤(2)中所述单层石墨烯由湿法转移获得。
优选地，步骤(3)中所述源极金接触层和步骤(4)中所述金电极利用多源有机气相沉积系统采用真空蒸镀法制备。
优选地，步骤(4)所述量子点层的具体制备步骤如下：
a.放置已经制备所述栅极-高掺杂单晶硅层、所述二氧化硅层、所述单层石墨烯的器件在匀胶台上，设置匀胶台转速为2000rpm；
b.匀胶台转速稳定后，取一滴PbS或PbSe量子点溶液滴于旋转的所述器件表面，等待10秒至器件干燥；
c.依次滴三滴稀释后的乙二硫醇溶液，所述乙二硫醇溶液的体积浓度为2％，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；
d.依次滴两滴乙腈溶液，所述乙腈溶液为分析纯，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；
e.依次滴两滴甲苯溶液，所述甲苯溶液为分析纯，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；
d.重复步骤(b)至步骤(e)3-20次，得到3-20层单层量子点构成的量子点层。
本发明的有益效果是：
本发明的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管及其制备方法，利用PbS/PbSe量子点独特的可调谐的光学特性和石墨烯材料室温导电速度快、导热能力强、比表面积大等优点，具有的优越的电特性和光可调谐性，对红外波段的入射光具有较高的响应度；其制备方法中，衬底和二氧化硅层的制备采用现有比较成熟的技术，可靠性和稳定性高而且成本较低，然后通过先沉积石墨烯源电极后涂覆量子点层的方法将量子点层涂覆在源极和漏极的中间区域，形成具有短垂直沟道的场效应管，工艺简单，成本低，性能好，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明所提供的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的纵切面结构示意图；
图2是本发明所提供的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的平面结构示意图；
图3是本发明所提供的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的制备方法流程图；
图4为实施例所制备的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的外观图。
图中：1.衬底层，2.二氧化硅层，3.单层石墨烯，4.源极金接触层，5.量子点层，6.金电极。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例提供了一种新型的量子点垂直沟道型光敏场效应管，并公开了这种场效应管的构成及详细制备方法。
本实施例公开的新型场效应管是一种基于石墨烯电极和PbS/PbSe量子点垂直沟道，可实现载流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性能。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电极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。器件对近红外光具有较高的响应度和非常快的响应速度。
如图1和图2所示，本实施例涉及到的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：
衬底层1，该层为栅极-高掺杂单晶硅层，厚度在3μm；
二氧化硅层2，该层在衬底层1上方紧挨衬底层1，厚度为300nm，作为绝缘层；
单层石墨烯3，该层在二氧化硅层2上方紧挨二氧化硅层2，是场效应管的源极，由湿法转移获得；
源极金接触层4，该层在单层石墨烯3一侧的上方且紧挨单层石墨烯3，是场效应管的源极传输层，运用金作为电极材质，通过真空蒸镀方法获得，厚度为200nm；
量子点层5，为PbS量子点层或PbSe量子点层，该层在单层石墨烯3另一侧的上方且紧挨单层石墨烯3，其厚度与旋涂量子点溶液的层数相关，一般单层厚度为20-22nm，层数为3-20。
金电极6作为漏极层是最上一层，运用金作为电极材质，通过真空蒸镀方法获得，厚度为200nm；
可以从源极和漏极引出导电线用于测试和器件工作。
本实施例中涉及的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管是逐层制备的，基于该场效应管的特定结构，从衬底层到漏极层需逐步进行制备。
下面公开基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的制备过程：
(一)衬底层1和二氧化硅层2的制备均采用现有成熟技术，利用MOCVD的方法制备硅基衬底层1，衬底层1为栅极-高掺杂单晶硅，厚度为3μm，上层氧化的的二氧化硅层2厚度为300nm。
(二)在二氧化硅层2上转移单层石墨烯3作为源极层，具体方法如下：
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％。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)将PMMA/石墨烯/铜箔置于稀释后的铜箔腐蚀液中，铜箔腐蚀液进行稀释，稀释比例为腐蚀液：去离子水＝30:1，并倒于表面皿中，将器件浸入腐蚀液中，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/硅基的表面，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，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。
(三)在单层石墨烯3上的一侧制备量子点层4作为垂直导电沟道，量子点层的具体制备步骤如下：
a.放置已经制备栅极-高掺杂单晶硅层1、二氧化硅层2、单层石墨烯3的器件在匀胶台上，设置匀胶台转速为2000rpm，旋转时间60秒；
b.将制备的PbS或PbSe量子点材料溶解在甲苯溶液中，配置成30mg/mL的量子点溶液；匀胶台转速稳定后，取一滴PbS或PbSe量子点溶液滴于旋转的器件表面，等待10秒至器件干燥；
c.滴一滴稀释后的乙二硫醇溶液，稀释后的乙二硫醇溶液的体积浓度为2％，选取溶剂为乙腈，等待10秒干燥，重复该步骤滴入三滴稀释后的乙二硫醇溶液；
d.依次滴两滴乙腈溶液，乙腈溶液为分析纯，每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后进行下一滴；
e.滴两滴甲苯溶液，甲苯溶液为分析纯，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。一般量子点的层数为3-20，单层厚度为20-22nm。本实施例中进行的是5层量子点设计，厚度在110nm。本实施例中最终成型的石墨烯电极量子点垂直沟道型光敏场效应管如图4所示。
(四)在单层石墨烯3上的另一侧制备源极金接触层5作为源极传输层，在量子点层4上制备金电极6作为漏极层。在实际应用中电极可以设计为多种样式，本实施例中金属电极设计利用多源有机气相沉积系统采用真空蒸镀法制备而成，蒸镀电极使用的金属均为高纯金，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。
2.五根高纯金丝(99.995％)置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、0.0271g。
3.模板和金属金放好以后，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，同时观察材料状态变化，当电流达到70A时，金开始熔化。
5.继续增加电流至80A时，金开始沸腾。当金达到沸腾状态以后，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。
本发明的优点在于，衬底的制备采用现有比较成熟的技术，可靠性和稳定性高而且成本较低；通过先沉积石墨烯源电极后涂覆量子点层的方法将量子点层涂覆在源极和漏极的中间区域，形成具有短沟道的场效应管，对红外波段的入射光具有较高的响应度。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，包括作为衬底层的栅极-高掺杂单晶硅层，所述栅极-高掺杂单晶硅层上设置有二氧化硅层作为绝缘层，其特征在于，所述二氧化硅层上设置有单层石墨烯作为源极层；所述单层石墨烯上一侧设置有源极金接触层作为源极传输层，另一侧设置有量子点层作为垂直导电沟道；所述量子点层上设置有金电极作为漏极层；所述源极金接触层和所述金电极之间连接导线。
2.根据权利要求1所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，其特征在于，所述栅极-高掺杂单晶硅层的厚度为3μm。
3.根据权利要求1所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，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所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，其特征在于，所述量子点层为PbS量子点层或PbSe量子点层。
5.根据权利要求1所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，其特征在于，所述量子点层的单层厚度为20-22nm，层数为3-20。
6.根据权利要求1所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管，其特征在于，所述源极金接触层和所述金电极的厚度均为200nm。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述量子点垂直沟道型光敏场效应管的制备方法，其特征在于，该方法按照以下步骤进行：
(1)制备所述栅极-高掺杂单晶硅层作为衬底层和所述二氧化硅层作为绝缘层；
(2)在所述二氧化硅层上转移单层石墨烯作为源极层；
(3)在所述单层石墨烯上的一侧制备源极金接触层作为源极传输层，在所述单层石墨烯上的另一侧制备量子点层作为垂直导电沟道；
(4)在所述量子点层上制备金电极作为漏极层。
8.根据权利要求7所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述单层石墨烯由湿法转移获得。
9.根据权利要求7所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述源极金接触层和步骤(4)中所述金电极利用多源有机气相沉积系统采用真空蒸镀法制备。
10.根据权利要求7所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述量子点层的具体制备步骤如下：
a.放置已经制备所述栅极-高掺杂单晶硅层、所述二氧化硅层、所述单层石墨烯的器件在匀胶台上，设置匀胶台转速为2000rpm；
b.匀胶台转速稳定后，取一滴PbS或PbSe量子点溶液滴于旋转的所述器件表面，等待10秒至器件干燥；
c.依次滴三滴稀释后的乙二硫醇溶液，所述乙二硫醇溶液的体积浓度为2％，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；
d.依次滴两滴乙腈溶液，所述乙腈溶液为分析纯，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；
e.依次滴两滴甲苯溶液，所述甲苯溶液为分析纯，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；
d.重复步骤(b)至步骤(e)3-20次，得到3-20层单层量子点构成的量子点层。
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