CN107994099A - 基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法，用于解决现有场效应晶体管制备方法制备效率低的技术问题。技术方案是在显微镜与三维对准‑转移平台下，借助于PDMS将材料转移到硅衬底上，能够有效避免残胶对器件的影响，使用碳纤维和PDMS自制掩膜板，然后蒸镀上金属电极，能够制备出4‑7μm左右的平直沟道，便于将尺寸较小的材料(≥10μm)制备成场效应晶体管。该二维GaSe场效应晶体管制备方法操作简单、成本低、方便快捷，对材料无损伤，提高了场效应晶体管制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管制备方法，特别涉及一种基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法。
背景技术
自2004年发现石墨烯以来，二维材料凭借独特的物理、化学性质及其巨大的研究价值，受到了人们的广泛关注。基于二维GaSe材料的场效应晶体管也因其高的光响应度、高的外量子效率等优异性能在光探测器领域表现出很大的应用前景。目前制备基于二维材料的场效应晶体管普遍采用的方法为光刻技术或铜网制备掩模，再结合蒸镀技术进行电极的制备。
文献1“Huang H,Wang P,Gao Y,et al.Highly sensitive phototransistorbased on GaSe nanosheets[J].Applied Physics Letters,2015,107(14):143112.”报道了采用电子束光刻制备掩膜，然后直接在二维GaSe材料上沉积Cr/Au电极，通过在氩气中退火2h来去除残胶和降低接触电阻。电子束光刻技术设备昂贵，工艺复杂，制备效率低，且对二维材料会有一定的损伤和破坏。
文献2“Hu P A,Wen Z,Wang L,et al.Synthesis of few-layer GaSenanosheets for high performance photodetectors[J].ACS nano,2012,6(7):5988-5994.”报道了采用铜网作为掩模板制备二维GaSe场效应晶体管，沟道为曲线型，尺寸为25-30μm。铜网作为掩模制备的二维场效应晶体管沟道尺寸较大，不便将尺寸较小的二维材料制备成场效应晶体管。
专利3“杨亿斌,招瑜,肖也,等.一种二维材料场效应晶体管及制备方法,CN105826368 A[P].2016.”报道的通过机械划痕法，采用针尖或者刀刃制备二维场效应晶体管的方法，针尖很容易划伤材料，而且较难制备平直规则的沟道。
以上报道均表明目前没有一种简单便捷的二维GaSe材料场效应晶体管制备工艺。因此探索出一种工艺操作简单、对材料无损坏的二维GaSe材料场效应晶体管制备工艺，是产业化的前提条件。
发明内容
为了克服现有场效应晶体管制备方法制备效率低的不足，本发明提供一种基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法。该方法在显微镜与三维对准-转移平台下，借助于PDMS将材料转移到硅衬底上，能够有效避免残胶对器件的影响，使用碳纤维和PDMS自制掩膜板，然后蒸镀上金属电极，能够制备出4-7μm左右的平直沟道，便于将尺寸较小的材料(≥10μm)制备成场效应晶体管。该二维GaSe场效应晶体管制备方法操作简单、成本低、方便快捷，对材料无损伤，提高了场效应晶体管制备效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、采用垂直布里奇曼法生长GaSe单晶体，选取表面光滑无缺陷的GaSe体材料，沿其解理面解理得到厚度为10-15μm的GaSe薄层。
步骤二、将GaSe薄层平整地贴合到斯高胶带上，斯高胶带对折后迅速撕开，重复操作6-8次，直至胶带上的材料黯淡无色。
步骤三、将粘有GaSe材料的胶带平整地粘到厚度为0.5mm的聚二甲基硅氧烷上，在聚二甲基硅氧烷上剥离得到二维GaSe材料。
步骤四、在光学显微镜下寻找厚度均匀的二维GaSe作为转移的目标材料。用打孔机在胶带上打一个直径为2-3mm的圆孔，将胶带上的圆孔对准目标材料贴合到聚二甲基硅氧烷上，以遮盖其他的二维GaSe材料。
步骤五、取直径为2-3mm的聚二甲基硅氧烷粘在载玻片上，将粘有目标材料的聚二甲基硅氧烷贴到其上方，以使目标材料凸出，然后将载玻片水平朝下固定在三维转移台上。
步骤六、将洁净的SiO2/Si衬底真空吸附在显微镜的载物台上，下降三维转移台直至材料能清晰的呈现在视野中央，上升三维转移台使聚二甲基硅氧烷与SiO2/Si衬底分离，目标二维GaSe材料便成功转移到SiO2/Si衬底上。
步骤七、用打孔机在聚二甲基硅氧烷上打一个直径为2-3mm的圆孔，取一根碳纤维平直地搭接在圆孔中央，成为聚二甲基硅氧烷掩模板。
步骤八、将聚二甲基硅氧烷掩模板贴到粘有聚二甲基硅氧烷的载玻片上，并水平朝下固定在三维转移台上，下移三维转移台至碳纤维出现在视野中，调节三维转移台的X，Y旋钮使碳纤维与材料对准，继续缓慢下降使掩模板贴合到SiO2/Si衬底上。
步骤九、将盖有聚二甲基硅氧烷掩模板的SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀制备一层厚度为50nm的Au电极，揭下聚二甲基硅氧烷掩模板，构筑出二维GaSe场效应晶体管的源极和漏极。
步骤十、再将SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀在SiO2/Si衬底背面制备一层厚度为50nm的Al电极作为栅极，构筑出二维GaSe场效应晶体管。
本发明的有益效果是：该方法在显微镜与三维对准-转移平台下，借助于PDMS将材料转移到硅衬底上，能够有效避免残胶对器件的影响，使用碳纤维和PDMS自制掩膜板，然后蒸镀上金属电极，能够制备出4-7μm左右的平直沟道，便于将尺寸较小的材料(≥10μm)制备成场效应晶体管。
由于借助PDMS将二维GaSe材料转移到SiO2/Si衬底上，能有效地避免使用胶带直接剥离到SiO2/Si衬底上所引入的残胶。借助显微镜及三维转移平台，能够将所需的特定尺寸及厚度的二维材料制备成器件。使用PDMS与碳纤维结合而制备的掩模板方法简单，成本低，减少了器件制备的工艺步骤，且能够制备窄而平直的沟道以及尺寸较大的电极，对二维GaSe材料没有损伤。使用不同直径的碳纤维可以便捷地构筑不同沟道尺寸的场效应晶体管。该方法条件温和、操作简便、对材料无损伤、在保证电极质量及沟道质量的前提下提高了器件的制备效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法实施例1中盖上掩模板的照片。
图2是本发明基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法实施例1中碳纤维作为掩模的照片。
图3是本发明基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法实施例2中制备的场效应晶体管的照片。
具体实施方式
以下实施例参照图1-3。
实施例1：
步骤一、采用垂直布里奇曼法生长高质量的GaSe单晶体，选取表面光滑无缺陷的GaSe体材料，沿其解理面解理得到厚度为15μm的GaSe薄层。
步骤二、将GaSe薄层平整地贴合到斯高胶带上，胶带对折后迅速撕开，重复操作6次，直至胶带上的材料黯淡无色。
步骤三、将粘有GaSe材料的胶带平整地粘到厚度为0.5mm的PDMS(聚二甲基硅氧烷)上，在PDMS上剥离得到厚度不同的二维GaSe材料。为获得较薄的GaSe材料，胶带应沿单方向迅速撕离。
步骤四、在光学显微镜下寻找厚度均匀，尺寸为30μm×60μm的二维GaSe作为转移的目标材料。用打孔机在胶带上打一个直径为3mm的圆孔，将胶带上的圆孔对准目标材料贴合到PDMS上，以遮盖其他的二维GaSe材料。
步骤五、取直径为3mm的PDMS粘在载玻片上，将粘有目标材料的PDMS贴到其上方，以使目标材料凸出，然后将载玻片水平朝下固定在三维转移台上。
步骤六、将洁净的10mm×10mm 300nm SiO2/Si衬底真空吸附在显微镜的载物台上，下降三维转移台直至材料能清晰的呈现在视野中央，上升三维转移台使PDMS与SiO2/Si衬底分离，目标二维GaSe材料便成功转移到SiO2/Si衬底上。为保证转移过程不对材料造成损伤，上升下降三维转移台都应缓慢进行。
步骤七、用打孔机在5mm×5mm的PDMS上打一个直径为3mm的圆孔，取一根碳纤维平直地搭接在圆孔中央，此时该PDMS便可作为一个掩模板。
步骤八、将掩模板贴到粘有PDMS的载玻片上，并水平朝下固定在三维转移台上，下移三维转移台至碳纤维出现在视野中，调节三维转移台的X，Y旋钮使碳纤维与材料对准，继续缓慢下降使掩模板贴合到SiO2/Si衬底上。
步骤九、将盖有掩模板的SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀制备一层厚度为50nm的Au电极，揭下掩模板，构筑出二维GaSe场效应晶体管的源极和漏极。
步骤十、再将SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀在SiO2/Si衬底背面制备一层厚度为50nm的Al电极作为栅极，此时便成功构筑出一个二维GaSe场效应晶体管。
由图1可以看到，只有目标材料被碳纤维遮挡住，其它材料均未被遮挡。
由图2可以看到，目标材料与碳纤维贴合良好，碳纤维能够实现掩模的作用。
实施例2：
步骤一、采用垂直布里奇曼法生长高质量的GaSe单晶体，选取表面光滑无缺陷的GaSe体材料，沿其解理面解理得到厚度为10μm的GaSe薄层。
步骤二、将GaSe薄层平整地贴合到斯高胶带上，胶带对折后迅速撕开，重复操作8次，直至胶带上的材料黯淡无色。
步骤三、将粘有GaSe材料的胶带平整地粘到厚度为0.5mm的PDMS(聚二甲基硅氧烷)上，在PDMS上剥离得到厚度不同的二维GaSe材料。为获得较薄的GaSe材料，胶带应沿单方向迅速撕离。
步骤四、在光学显微镜下寻找厚度均匀，尺寸为6μm×21μm的二维GaSe作为转移的目标材料。用打孔机在胶带上打一个直径为2mm的圆孔，将胶带上的圆孔对准目标材料贴合到PDMS上，以遮盖其他的二维GaSe材料。
步骤五、取直径为2mm的PDMS粘在载玻片上，将粘有目标材料的PDMS贴到其上方，以使目标材料凸出，然后将载玻片水平朝下固定在三维转移台上。
步骤六、将洁净的10mm×10mm 300nm SiO2/Si衬底真空吸附在显微镜的载物台上，下降三维转移台直至材料能清晰的呈现在视野中央，上升三维转移台使PDMS与SiO2/Si衬底分离，目标二维GaSe材料便成功转移到SiO2/Si衬底上。为保证转移过程不对材料造成损伤，上升下降三维转移台都应缓慢进行。
步骤七、用打孔机在5mm×5mm的PDMS上打一个直径为2mm的圆孔，取一根碳纤维平直地搭接在圆孔中央，此时该PDMS便可作为一个掩模板。
步骤八、将掩模板贴到粘有PDMS的载玻片上，并水平朝下固定在三维转移台上，下移三维转移台至碳纤维出现在视野中，调节三维转移台的X，Y旋钮使碳纤维与材料对准，继续缓慢下降使掩模板贴合到SiO2/Si衬底上。
步骤九、将盖有掩模板的SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀制备一层厚度为50nm的Au电极，揭下掩模板，构筑出二维GaSe场效应晶体管的源极和漏极。
步骤十、再将SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀在SiO2/Si衬底背面制备一层厚度为50nm的Al电极作为栅极，此时便成功构筑出一个二维GaSe场效应晶体管。
由图3可以看到，沟道尺寸为7μm，且沟道规则平直，目标材料成功搭接在沟道之上。
实施例3：
步骤一、采用垂直布里奇曼法生长高质量的GaSe单晶体，选取表面光滑无缺陷的GaSe体材料，沿其解理面解理得到厚度为13μm的GaSe薄层。
步骤二、将GaSe薄层平整地贴合到斯高胶带上，胶带对折后迅速撕开，重复操作7次，直至胶带上的材料黯淡无色。
步骤三、将粘有GaSe材料的胶带平整地粘到厚度为0.5mm的PDMS(聚二甲基硅氧烷)上，在PDMS上剥离得到厚度不同的二维GaSe材料。为获得较薄的GaSe材料，胶带应沿单方向迅速撕离。
步骤四、在光学显微镜下寻找厚度均匀，尺寸为12μm×18μm的二维GaSe作为转移的目标材料。用打孔机在胶带上打一个直径为2.5mm的圆孔，将胶带上的圆孔对准目标材料贴合到PDMS上，以遮盖其他的二维GaSe材料。
步骤五、取直径为2.5mm的PDMS粘在载玻片上，将粘有目标材料的PDMS贴到其上方，以使目标材料凸出，然后将载玻片水平朝下固定在三维转移台上。
步骤六、将洁净的10mm×10mm 300nm SiO2/Si衬底真空吸附在显微镜的载物台上，下降三维转移台直至材料能清晰的呈现在视野中央，然后上升三维转移台使PDMS与SiO2/Si衬底分离，目标二维GaSe材料便成功转移到SiO2/Si衬底上。为保证转移过程不对材料造成损伤，上升下降三维转移台都应缓慢进行。
步骤七、用打孔机在5mm×5mm的PDMS上打一个直径为2.5mm的圆孔，取一根碳纤维平直地搭接在圆孔中央，此时该PDMS便可作为一个掩模板。
步骤八、将掩模板贴到粘有PDMS的载玻片上，并水平朝下固定在三维转移台上，下移三维转移台至碳纤维出现在视野中，调节三维转移台的X，Y旋钮使碳纤维与材料对准，继续缓慢下降使掩模板贴合到SiO2/Si衬底上。
步骤九、将盖有掩模板的SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀制备一层厚度为50nm的Au电极，揭下掩模板，构筑出二维GaSe场效应晶体管的源极和漏极。
步骤十、再将SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀在SiO2/Si衬底背面制备一层厚度为50nm的Al电极作为栅极，此时便成功构筑出一个二维GaSe场效应晶体管。
Claims (1)
1.一种基于二维硒化镓材料场效应晶体管制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用垂直布里奇曼法生长GaSe单晶体，选取表面光滑无缺陷的GaSe体材料，沿其解理面解理得到厚度为10-15μm的GaSe薄层；
步骤二、将GaSe薄层平整地贴合到斯高胶带上，斯高胶带对折后迅速撕开，重复操作6-8次，直至胶带上的材料黯淡无色；
步骤三、将粘有GaSe材料的胶带平整地粘到厚度为0.5mm的聚二甲基硅氧烷上，在聚二甲基硅氧烷上剥离得到二维GaSe材料；
步骤四、在光学显微镜下寻找厚度均匀的二维GaSe作为转移的目标材料；用打孔机在胶带上打一个直径为2-3mm的圆孔，将胶带上的圆孔对准目标材料贴合到聚二甲基硅氧烷上，以遮盖其他的二维GaSe材料；
步骤五、取直径为2-3mm的聚二甲基硅氧烷粘在载玻片上，将粘有目标材料的聚二甲基硅氧烷贴到其上方，以使目标材料凸出，然后将载玻片水平朝下固定在三维转移台上；
步骤六、将洁净的SiO2/Si衬底真空吸附在显微镜的载物台上，下降三维转移台直至材料能清晰的呈现在视野中央，上升三维转移台使聚二甲基硅氧烷与SiO2/Si衬底分离，目标二维GaSe材料便成功转移到SiO2/Si衬底上；
步骤七、用打孔机在聚二甲基硅氧烷上打一个直径为2-3mm的圆孔，取一根碳纤维平直地搭接在圆孔中央，成为聚二甲基硅氧烷掩模板；
步骤八、将聚二甲基硅氧烷掩模板贴到粘有聚二甲基硅氧烷的载玻片上，并水平朝下固定在三维转移台上，下移三维转移台至碳纤维出现在视野中，调节三维转移台的X，Y旋钮使碳纤维与材料对准，继续缓慢下降使掩模板贴合到SiO2/Si衬底上；
步骤九、将盖有聚二甲基硅氧烷掩模板的SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀制备一层厚度为50nm的Au电极，揭下聚二甲基硅氧烷掩模板，构筑出二维GaSe场效应晶体管的源极和漏极；
步骤十、再将SiO2/Si衬底放入蒸镀机中，通过热蒸镀在SiO2/Si衬底背面制备一层厚度为50nm的Al电极作为栅极，构筑出二维GaSe场效应晶体管。
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