CN108496240A - 垂直场效应晶体管 - Google Patents

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弗兰基·索
金渡泳
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Abstract

提供了一种垂直场效应晶体管，其包括：第一电极；由导电材料的层形成的多孔导体层，在多孔导体层中设置有延伸穿过导电材料的多个孔；在第一电极与多孔导体层之间的介电层；与多孔导体层接触的电荷传输层；以及电连接至电荷传输层的第二电极。可以在介电层与第一电极之间设置光敏层。还可以提供制造垂直场效应晶体管的方法，所述方法包括形成介电层并沉积与介电层接触的导体层，其中介电层的一个或更多个区域在沉积期间被掩蔽，使得导体层包括延伸穿过导体层的多个孔。

Description

垂直场效应晶体管
背景技术
金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是微电子器件的关键部件。随着技术改进，源极至漏极沟道长度的减少已经显著增强了功耗以及开关速度。然而，短沟道效应例如热载流子传输可能导致晶体管的低开/关比以及不饱和输出电流。另外，需要高分辨率图案化的工艺来限定这样的短沟道长度，这可能显著增加制造成本。
发明内容
一些方面提供了一种垂直场效应晶体管，其包括：第一电极；由导电材料的层形成的多孔导体层，在多孔导体层中设置有延伸穿过导电材料的多个孔；在第一电极与多孔导体层之间的介电层；与多孔导体层接触的电荷传输层；以及电连接至电荷传输层的第二电极。
一些方面提供了制造垂直场效应晶体管的方法，该方法包括形成介电层，并且在介电层上方沉积导体层，其中在沉积期间介电层的一个或更多个区域被掩蔽，使得导体层包括延伸穿过导体层的多个孔。
一些方面提供了一种操作垂直场效应晶体管的方法，垂直场效应晶体管包括第一电极、介电层、多孔导体层、与多孔导体层接触的电荷传输层、以及第二电极，介电层位于第一电极与多孔导体层之间，并且电荷传输层位于多孔导体层与第二电极之间，所述方法包括：从多孔导体层向第一电极施加第一偏压；从多孔导体层向第二电极施加第二偏压，第二偏压具有与第一偏压的正负号相反的正负号，其中，在第一电极处注入的空穴在电荷传输层中以超过1000％的转化效率产生自由电子。
前述是本发明的非限制性概述，本发明由所附权利要求限定。
附图说明
图1是根据一些实施方式的说明性垂直场效应晶体管器件的示意图；
图2(a)是根据一些实施方式的说明性VFET器件的示意图；
图2(b)示出了图2(a)所示的VFET器件的说明性多孔ITO电极的孔；
图3(a)至图3(d)示出了根据一些实施方式的说明图2(a)中所示的VFET的基本理论的示意性能带图；
图4是根据一些实施方式的包括光敏层的说明性VFET器件的示意图；
图5(a)至图5(f)示出了根据一些实施方式的说明图4所示的垂直IR光电晶体管的基本理论的示意性能带图；
图6(a)至图6(b)分别描绘了根据一些实施方式的说明性垂直场效应晶体管的转移曲线和输出曲线；
图7(a)至图7(b)分别描绘了根据一些实施方式的亮度转移曲线和亮度输出曲线；
图8示出了根据一些实施方式的通过氧等离子体蚀刻时间的孔径控制；
图9示出了根据一些实施方式的垂直光电晶体管的根据栅极偏置的电流和光子至电子转换效率；
图10描绘了根据一些实施方式的PbS厚度对器件操作窗口的影响；
图11示出了根据一些实施方式的VDS对外部量子效率(EQE)的影响；
图12示出了根据一些实施方式的垂直光电晶体管的再现性；以及
图13示出了根据一些实施方式的垂直IR光电晶体管的根据源极-漏极偏置的源极-漏极电流。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及垂直场效应晶体管，其可以可选地包括高增益光检测器。本发明人已经认识并理解，通过将介电层和多孔导电层组合，由于在光敏层和介电层之间的界面处的电荷累积，可以产生高电流增益，从而导致电子以高增益从多孔导电层注入。多孔导电层可以由半导体或导体层形成，使得孔洞(或孔)延伸穿过该多孔导电层。由此可以使用传统的半导体制造技术来形成多孔导电层，同时如下所述有利于晶体管器件内的高增益。
在一些实施方式中，介电层中的自由电荷可以从入射到光敏层的光子产生。在一些实施方式中，可以由于被提供至晶体管的栅电极的电流而在介电层中产生自由电荷。在任一种情况下，可以由从多孔导电层注入到与导电层相邻的电荷传输层(例如，电子传输层)中的电子产生输出电流。以这样的方式，多孔导电层对输出电流进行调节。多孔导电层可以与介电层相邻，介电层又可以与光敏层或栅电极相邻。
在没有偏压施加至介电层的情况下，可以存在在多孔导电层和电子传输层之间的界面处的肖特基势垒(或其他势能势垒)，其足够高以充分阻挡电子注入到电子传输层中。当跨介电层和多孔导电层施加偏压时，电子可能在介电层和电子传输层之间的界面处(即，在导电层的孔的区域中)累积。这可以在一定程度上降低多孔导电层与电子传输层之间的界面处的肖特基势垒，但是由于介电层的存在以及在一些实施方式中光敏层的介电特性，场效应可能较小。
在包括光敏层的实施方案中，当光敏层被光子照射时，并且当跨光敏层、介电层和多孔导电层施加偏压时，在光敏层中产生的空穴可以累积在光敏层和介电层之间的界面处。空穴的累积可以通过场效应来减小导电层的孔区域中的势能势垒，使得电子容易从导电层注入到电子传输层中。实际上，通过提供由于累积的空穴的场效应而具有较低的肖特基势垒高度的区域，孔被用于调节从多孔导电层到电子传输层的电子注入。根据一些实施方式，如本文讨论的垂直场效应晶体管可以具有在1000％与10,000％之间，或在10,000％与100,000％之间，或在100,000％与1,000,000％之间的光子至电子增益。
在不包括光敏层的实施方式中，来自栅电极的电流可能导致在栅电极处的空穴累积。这些空穴施加场效应以在介电层之间的界面处和在导电层的孔处产生电子累积。因此，导电层的孔区域中的势能势垒可以减小，使得电子容易地从导电层注入到电子传输层中。实际上，通过提供由于累积的空穴的场效应而具有较低的肖特基势垒高度的区域，孔被用于调节从多孔导电层到电子传输层的电子注入。根据一些实施方式，不包括光敏层的垂直场效应晶体管可以具有在1000％与10,000％之间，或在10,000％与100,000％之间，或在100,000％与1,000,000％之间的电子至电子增益。
本发明人已经认识并理解，这样的垂直场效应晶体管可以提供具有快速动态响应的输入至输出增益。特别地，垂直场效应晶体管可以在包括光敏层的实施方式中产生高的光子至电子增益，或者在向栅电极提供电流的实施方式中产生高跨导。相比之下，尽管一些红外有机或胶体量子点(CQD)光电检测器已经报道了可接受的光子至电子增益，但这样的增益归因于具有本质上缓慢的动态响应的电荷俘获。相对地，如本文所述的包括光敏层的垂直场效应晶体管可以由于电容栅控效应而产生高的光子至电子增益，这产生更快的动态响应。
根据一些实施方式，可以使用常规光刻工艺来制造本文所述的垂直场效应晶体管，从而使得能够使用公知技术来制造器件。特别地，多孔导电层可以通过常规技术容易地形成并且无需特殊处理。如本文所述的垂直场效应晶体管可以用于包括晶体管的任何适合器件，例如，薄膜晶体管(TFT)应用。包括光敏层的垂直场效应晶体管的实施方式可以例如用在图像传感器中或用在可以使用光敏晶体管的任何其他应用中。
图1是根据一些实施方式的说明性垂直场效应晶体管(VFET)100的示意图。该器件包括栅电极121、介电层124、源电极125、电子传输层126和漏电极127。在操作期间，存在从多孔电极125施加至透明电极121的偏压VGS，以及从多孔电极125施加至电极128的偏压VDS。每个偏压的正负号可以相同，或者偏压可以具有不同的正负号(例如，电极121和电极128两者可以处于与电极125相比更低的电势，或者电极121和电极128两者可以处于与电极125相比更高的电势)。
该器件可选地包括光敏层123，光子可以在穿过具有透明性的电极121之后入射到光敏层123上。不管是否由于可选的光敏层中的光电流和/或通过从栅电极121汲取的电流而产生电子注入，电子从多孔电极125注入到电子传输层126中(经由下面要描述的过程)。虽然电极125被描述为“多孔的”，但这通常是指包括有意创建的允许如本文所述的电子注入的开口(例如，但不限于孔或孔洞)的固体层。
图2a是根据一些实施方式的说明性VFET器件的示意图。图2a是可以如下所述制造和操作的垂直薄膜晶体管的示例。在图2a的示例中，使用HfO2作为介电层，使用ITO作为栅电极，并且使用多孔ITO层作为VFET的源电极。可以在VFET器件中使用任何适合的电子传输材料，并且C60是一种呈现出期望的高电子迁移率并且在与ITO源极层的界面处提供适合的能量势垒的这样的材料。在一些实施方式中，介电层可以是高κ介电物(其中，在图2a的示例中提供HfO2作为满足该描述的一种可行的介电物)。高κ介电物是具有比二氧化硅的介电常数高的介电常数的介电物。
根据一些实施方式，在与ITO源极层的界面处的能量势垒在0.2eV与1eV之间，例如在0.4eV与0.8eV之间，例如0.6eV。根据一些实施方式，多孔导体层可以经受UV臭氧处理以增加其功函数并由此形成相对于C60层的高肖特基势垒(例如，从4.1eV至5.3eV)。
图2b是示例性多孔ITO膜(约45nm的厚度)的扫描电子显微镜(SEM)图像，该示例性多孔ITO膜包括延伸穿过源电极(例如，ITO)层的多个孔。在图2b的示例中，孔直径为约0.8μm，且比例尺为5μm。根据一些实施方式，孔直径可以各自在0.1μm与10μm之间，例如在0.5μm与2μm之间。应该理解，尽管每个孔的直径可以各自在该范围内，但是孔可以在源极导体层中呈现出一定范围的直径。根据一些实施方式，平均孔直径在0.1μm与10μm之间，例如在0.5μm与2μm之间。其中存在孔的源极导体层的表面积的比例在一些实施方式中可以在40％与60％之间，例如约50％。
图3(a)至图3(d)示出了说明图2a中所示的VFET的基本机制的示意性能带图。在零栅极偏置下(但具有非零漏极源极偏置)(图3a)，由于界面处的大的电子注入势垒，从多孔ITO源电极到C60沟道层的电子注入被阻挡。黑色虚线表示在C60与HfO2栅极介电层直接接触的孔的中心处C60层的最低未占据分子轨道(LUMO)能级。图3(b)示出了多孔ITO/C60结在横向方向上的横向能带图。
如图3(c)所示，在正栅极偏置VGS>0下，ITO栅电极处的空穴累积施加电场效应以在多孔ITO区域中的HfO2/C60界面处产生电子累积。因此，在C60层中发生能带弯曲，并且多孔ITO/C60界面处的横向肖特基势垒宽度与图3(a)所示的情况相比显著减小。随后，如图2(d)所示，从ITO到C60的电子注入显著增加。
图4是根据一些实施方式的包括光敏层的说明性VFET器件的示意图。在图4的示例中，光敏栅极由在ITO栅电极和HfO2栅极介电层之间的被插入作为IR敏化栅极的经溶液处理的量子点(PbS)层组成。在操作期间，穿过ITO栅电极撞击在PbS层上的IR光子产生光载流子，由此在由C60形成的电子传输层(ETL)与多孔ITO源电极和HfO2栅极介电层接触的区域中引起强的场效应，调节从ITO源电极到C60沟道层的电子注入。根据一些实施方式，多孔导体层可以经受UV臭氧处理以增加其功函数并由此形成相对于C60层的高肖特基势垒(例如，从4.1eV至5.3eV)。
图5(a)至图5(f)示出了用于说明图4中示出的说明性VFET器件的基本机制的示意性能带图。在零栅极偏置(但是具有非零漏极源极偏置)并且没有IR照射(图5a)下，由于界面处的大的电子注入势垒，从多孔ITO源电极到C60沟道层的电子注入被阻挡。黑色虚线代表C60与HfO2栅极介电层直接接触的孔中心(标记为★)处C60层的最低未占据分子轨道(LUMO)能级。
图5(b)示出了多孔ITO/C60结在横向方向上的横向能带图。如图4所示，由于向ITO/C60肖特基结施加了反向源极-漏极偏置，因此在零栅极偏置下暗电流较低。如图5(c)所示，在没有IR照射的正栅极偏置下，具有深电离电势(＝7.6eV)的经溶液处理的ZnO纳米晶体(NC)空穴阻挡层阻挡从ITO栅电极的注入空穴，同时将电子吸引到多孔ITO区域中的HfO2/C60界面。由于电子累积，在与多孔ITO源电极和HfO2介电层接触的地方发生C60层的能带弯曲。随后，如图5(d)所示，横向ITO/C60界面的肖特基势垒宽度减小。然而，由于厚的栅极介电堆叠(例如，ZnO+PbS+HfO2)，场效应不强，并且因此暗电流的增加非常小。在一些实施方式中，介电堆叠可以具有100nm与500nm之间、200nm与400nm之间、250nm与350nm之间或约310nm的厚度。在一些实施方式中，光敏层(例如，图4中所示的说明性VFET器件中的PbS层)可以具有60nm与240nm之间，例如100nm与150nm之间，例如120nm的厚度。
图5(e)示出了作为操作的重要部分的光电流增益机制。在具有IR照射的正栅极偏置下，PbS层中的光生空穴在PbS/HfO2界面处累积，而PbS层中的光生电子通过ZnO层传输至ITO栅电极。当器件在黑暗中工作时，与有效的厚栅介电堆叠(ZnO+PbS+HfO2)相比，由于非常薄的有效栅极介电层(50nm，HfO2)，PbS/HfO2界面处的累积的空穴使场效应显著增加。这样的强的场效应导致C60层的强的能带弯曲，从而导致横向ITO/C60肖特基势垒宽度的显著变窄和在多孔ITO/C60界面处的电子注入，并因此导致在器件中具有高光电流增益。
示例
根据一些实施方式，图6a至图6b和图7a至图7b描绘了说明性VFET的特性。这些图的下面的描述(包括对该说明性VFET的特性的讨论)作为示例被提供，并且不限于如上所述的VFET的特性。
图6(a)示出了晶体管的转移曲线。没有对多孔ITO源电极进行UV-臭氧处理的器件具有较低的肖特基势垒，并且截止电流不被抑制，导致低开/关比。在UV-臭氧处理之后，由于多孔ITO源电极的增加的功函数，截止电流降低三个数量级。注意，导通电流是相同的，因为导通电流是C60沟道层中的空间电荷限制电流。图6(b)示出了表示由于空间电荷效应引起的饱和输出电流的晶体管的输出曲线。
根据一些实施方式，通过将有机发光二极管结合在垂直晶体管的沟道中，示出了垂直发光场效应晶体管(VLET)。VLET具有以下结构：Al(漏电极)/MoOx(空穴注入层)/4,4'-双[N-(1-萘基)-N-苯基-氨基]联苯(NPB，空穴传输层)/4,48,49-三(N-咔唑基)三苯胺(TCTA，发光层)/4,7-二苯基-1,10-菲咯啉(Bphen(菲罗啉)，电子传输层)/C60(沟道层)/多孔ITO(源电极)/HfO2(栅极介电物/ITO(栅电极)。TCTA发射层掺杂有作为磷光染料的9％体积的面式三(2-苯基吡啶)铱[Ir(ppy)3]。
图7(a)示出了VLET的根据栅极电压的亮度转移曲线。给出电流转移曲线(黑线)用于与示出相同的导通栅极电压的亮度转移曲线(红线)进行比较。图7(b)示出了VLET的亮度输出曲线。
制造技术
以下是用于如上所述的VFET器件的说明性制造技术。应该理解，这些技术仅作为示例提供，并且对于VFET器件和VFET的制造方法二者是非限制性的。如上所讨论的，VFET可以可选地包括光敏层，并且因此下面描述的说明性制造技术中的仅一些可以取决于VFET是否包括光敏层而可适用于VFET器件的特定实施方式。
1.ZnO纳米晶体和PbS纳米晶体的合成
ZnO纳米晶体合成和旋涂步骤：在室温下，将0.6585g的乙酸锌二水合物(ZnAc，98+％，ACROS有机物)和30ml的二甲基亚砜(Fisher Scientific)在烧瓶中以475rpm的速度一起搅拌。在另一个烧瓶中，通过摇晃达2分钟将0.6g的氢氧化四甲基铵(>97％，SigmaAldrich)和30ml的乙醇混合。然后，将两个烧瓶中的溶剂放在一起并以625rpm的速度搅拌达50分钟。接下来，将溶剂以10ml的量分到6个离心管中。向每个管加入20ml的乙酸乙酯和20ml的庚烷，然后在20℃下以7000rpm的转速离心达6分钟。在离心过程之后，去除上清液溶剂并将6ml的乙醇加入每个管中以制备ZnO前体溶液。然后，通过加入具有2：3的溶液与乙醇体积比的乙醇来稀释ZnO溶液。将稀释的ZnO溶液以2000rpm的速度旋涂在ITO基板上达1秒(第一步)，4000rpm达1秒(第二步)和5000rpm达40秒(第三步)。旋涂后立即将基板放在80℃的热板上热处理达10分钟。最后，在氧气和水分浓度低于1ppm的手套箱中施加UV固化(λ＝365nm)达30秒。
PbS纳米晶体合成和旋涂步骤：将0.7g的铅(II)氧化物(99.999％，基于金属，Puratronic)，50ml的1-十八碳烯(90％，Sigma Aldrich)和4ml的油酸(90％，SigmaAldrich)放入100ml三颈烧瓶中并在热板上搅拌直到温度达到110℃。将烧瓶的一个颈部连接至冷凝器以使Ar气体流入烧瓶，并且将另一个颈部连接至热电偶以监测温度，同时将中间颈部用橡胶覆盖。当温度达到110℃时，将10ml的1-十八烯和360μl的六甲基二硅氮烷(合成级，Sigma Aldrich)混合并倒入烧瓶中。4分钟后，将烧瓶中的溶剂淬入含有150ml的异丙醇的烧杯中。
将溶剂按照35ml的量分到6个离心管中，然后在25℃下以7000rpm的速度离心达20分钟。在倒出上清液后，向每个管中加入7.5ml的甲苯并通过涡旋摇晃。在将丙酮倒入以使每个管具有相同重量和37.5ml体积后，在25℃下以7000rpm的速度进行第二次离心步骤达5分钟。在倒出上清液后，向每个管中加入7.5ml的甲苯并通过涡旋摇晃。接下来，将甲醇倒入每个管中以使得具有相同的重量和35ml的体积，并且在25℃下以11,000rpm的速度进行第三次离心步骤达10分钟。倒出上清液后，将所有管在真空室中干燥2小时。然后，将3ml的氯仿加入到每个管中，并将所有管再次在真空室中干燥过夜。
制备在氯仿中的30mg/ml的PbS前体粉末，并且将溶液以2000rpm的速度旋涂在ZnO/ITO基板上达1秒(第一步)和以2,500rpm的速度达10秒(第二步)。接着，将22.4μl的苯-1,3-二硫醇(BDT)与20ml的乙腈混合滴加到PbS膜上，等待10秒以将油酸配体与BDT配体交换。紧接着该10秒后，施加与在PbS旋涂工艺中说明的相同的旋涂步骤。最后，使用与在PbS旋涂工艺中说明的相同的旋涂步骤来旋涂乙腈，以清洁表面上未交换的配体。将上述过程整体算为“1层”涂层，我们施加了1至5层的PbS涂层。
2.制造多孔ITO电极
聚苯乙烯单层形成：将1ml的聚苯乙烯颗粒悬浮液(平均尺寸1.1μm，LB11，SigmaAldrich)与10ml去离子水混合，并将溶液在20℃下以8,000rpm的速度离心达20分钟。倒出上清液水后，加入10ml的乙醇，并且在上述条件下对溶液进行离心。倒出上清液乙醇后，加入4ml的乙二醇并用棒式超声波仪搅拌。
接下来，将HfO2/PbS/ZnO/ITO基板浸入全水烧杯中。然后，用吸管将聚苯乙烯-乙二醇前体溶液滴在水面上，使水面被单层聚苯乙烯球体覆盖。使用注射泵(KDS200，KDScientific)以400μl/分钟的速度缓慢拉起基板，同时通过在水表面滴加十二烷基硫酸钠(Sigma Aldrich)来将聚苯乙烯单层推向基板。
图8示出了由氧等离子体控制的孔径。在基板上的单层形成之后，通过反应离子蚀刻(Unaxis，RIE功率＝100W，O2压力＝40mTorr，腔室压力＝40mTorr)控制聚苯乙烯颗粒尺寸达0分钟至2分钟。聚苯乙烯尺寸非常重要，因为它最终会变成ITO孔径。为了获得最佳条件，施加1分钟或2分钟的RIE蚀刻时间。
多孔ITO制造：在通过RIE工艺控制聚苯乙烯尺寸之后，将基板移入溅射室。以50sccm的Ar流量和7sccm的O2流量在150W的DC溅射功率下以1埃/秒的沉积速率在基板上溅射45nm厚的ITO膜。在溅射过程中，使用阴影金属掩模来限定多孔ITO图案。在溅射过程之后，通过胶带去除基板上的聚苯乙烯单层，仅在基板上留下多孔ITO图案，如图8所示。
3.器件制造
VFET的制造：分别在超声波浴中使用丙酮和异丙醇清洗图案化的ITO玻璃达15分钟，然后进行UV-臭氧处理达30分钟。将经溶液处理的ZnO纳米晶体膜在空气中旋涂在ITO玻璃基板上，然后在80℃热处理达15分钟。如前一部分所述，通过在旋涂过程期间处理1,3-苯并二硫杂环戊二烯(BDT)作为表面配体，对峰值吸收波长位于1,046nm的PbS量子点纳米晶体进行合成。为了获得最佳厚度，对PbS膜进行四次旋涂以获得240nm的PbS膜厚度。接下来，通过原子层沉积(Cambridge Nano Fiji 200，室温＝80℃，沉积速率＝每循环1埃，循环次数＝500)在PbS层的顶部沉积50nm厚的HfO2栅极介电物。在如前一部分所述制造多孔ITO源电极之后，将多孔ITO/HfO2/PbS/ZnO/ITO样品进行UV-臭氧处理达30分钟以增加多孔ITO电极的功函数。在UV处理之后，将样品移入热蒸镀室(Kurt J.Lesker公司)中，并且沉积1μm厚的C60沟道层(99.5％，M.E.R公司)以避免C60沟道中的任何电流短路径。对于顶部漏电极，沉积100nm厚的Al膜。
器件特性：使用Keithley 4200测量电特性。对于亮度-电流-电压(LIV)特性，使用连接至Keithley 4200的经校准的硅光电二极管(Newport，在550nm波长的响应度＝0.34A/W)来测量光电流。使用与ORIEL74125单色器耦合的150W无臭氧氙DC弧灯来产生单色红外光。通过使用中性密度过滤器和扩散器来控制IR强度。将所有器件封装在O2和水分二者水平低于1ppm的手套箱中，并且在室温下在环境大气下进行测量。
4.VFET的IR功率依赖性
图9示出了VFET的功率关系。图9(左图)绘制了从0.88μW/cm2到81.2μW/cm2的不同IR功率密度的转移曲线。为了使EQE最大化，施加高VDS(＝13V)。在图9中，说明性曲线A、B、C和D标记为分别对应于没有光电流(暗)、0.88μW/cm2、1.05μW/cm2和81.2μW/cm2。
5.PbS厚度的影响
图10描述了PbS厚度对器件操作窗口的影响。PbS厚度由PbS旋涂过程的数量控制。正如所观察到的，较厚的PbS膜可能需要较高的栅极电压来导通黑色转移曲线。另外，较厚的PbS膜中的IR吸收大于较薄的PbS膜中的吸收，导致在IR照射下较大的阈值电压偏移。因此，在具有240nm厚的PbS层的器件中观察到更宽的器件操作窗口。
6.源极-漏极电压(VDS)
图11示出了VDS对EQE的影响。检查了VDS(3V，6V，10V和13V)对EQE的影响。施加相对较强的IR功率密度(157μW/cm2)来证明EQE随VDS的大的变化。
7.VFET的再现性
图12示出了光敏VFET的再现性。在完全相同的条件下制造20个IR光敏VFET器件，并且对于每个器件在VGS＝8V和VDS＝3V下测量EQE。在测量中施加强IR功率密度(157μW/cm2)，并且20个器件中的18个呈现增益EQE。
8.VFET的检测率测量
检测率D*由下式(1)表示。
D*＝(AΔf)1/2R/in (1)
其中A是器件面积，Δf是以Hz为单位的带宽，R是以A/W为单位的响应度，in是以安培为单位的噪声电流。R表示为
其中q是电子电荷，h是普朗克常数，并且ν是入射光子的频率。使用StanfordResearch SR830锁定放大器和SR570低噪声前置放大器在电(可选地，屏蔽)环境下测量噪声电流(2)。测量过程中将噪声电流的锁定频率设置为30Hz。对于电压供应，使用碱性电池以使噪声最小化。对于采用240nm厚的PbS膜的VFET，我们在VGS＝3.5V和VDS＝13V处观察到1.23×1013的高检测率，这与商用InGaAs光电二极管的检测率相当(3)。
9.VFET的RC测量
图13图示了VFET的根据源极-漏极偏置的源极-漏极电流的示例。在VGS＝11V下、在低电压下的扫频VDS的情况下测量VFET中的C60层的电阻。由于高VGS和低VDS，源极-漏极电流符合欧姆定律，因此可以计算C60层的电阻为6,024Ω。如果电阻是通过C60的通用电阻率(1,014Ω/m)计算的，则电阻应为250Ω，其比我们VFET中C60层测量的电阻低几乎24倍。电阻的巨大差异归因于顶部Al漏电极处的接触电阻。由于VFET的总电容在VDS＝7V和VGS＝6V处测量为1.6nF，因此RC测量计算出的RC常数为9.6μs，对应于17kHz的截止频率。
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因此已经描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面，应该理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。此外，尽管指出了本发明的优点，但应该理解，不是在此描述的技术的每个实施方式都将包括每个所描述的优点。一些实施方式可能不实现在此描述为有利的任何特征，并且在一些情况下，可以实现所描述的特征中的一个或更多个以实现另外的实施方式。因此，前面的描述和附图仅作为示例。
本发明的各个方面可以单独使用、组合使用或者在前面描述的实施方式中没有具体讨论的各种布置中使用，因此其应用不限于前面描述中阐述或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方式中描述的方面可以以任何方式与其他实施方式中描述的方面组合。
另外，本发明可以实现方法，已经提供了方法的示例。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何适合的方式排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序执行动作的实施方式，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方式中示出为顺序动作亦如此。
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等序数词语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素或其中执行方法的动作的时间顺序的任何优先级、优先顺序或顺序，而是仅被用作将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但是使用序数术语)的另一要素进行区分的标记以区分权利要求要素。
另外，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及附加项。

Claims (20)

1.一种垂直场效应晶体管，包括：
第一电极；
由导电材料的层形成的多孔导体层，在所述多孔导体层中设置有延伸穿过所述导电材料的多个孔；
在所述第一电极与所述多孔导体层之间的介电层；
与所述多孔导体层接触的电荷传输层；以及
电连接至所述电荷传输层的第二电极。
2.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，其中，所述多个孔各自具有在0.1μm与10μm之间的直径。
3.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，其中，所述导电材料是透明的。
4.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，其中，所述导电材料是透明导体或透明掺杂半导体。
5.根据权利要求4所述的垂直场效应晶体管，其中所述导电材料是铟锡氧化物(ITO)。
6.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，还包括耦接至所述第一电极、所述多孔导体层和所述第二电极中的每个的电连接。
7.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，其中所述电荷传输层包含富勒烯。
8.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，还包括在所述介电层与所述第一电极之间的光敏层。
9.根据权利要求8所述的垂直场效应晶体管，其中，所述光敏层包括硫化铅、硫化银和硒化银中的一种或更多种。
10.根据权利要求8所述的垂直场效应晶体管，其中，所述光敏层包含纳米晶体。
11.根据权利要求8所述的垂直场效应晶体管，还包括在所述光敏层与电连接至所述多孔导体层的电极之间的空穴阻挡层。
12.根据权利要求11所述的垂直场效应晶体管，其中，所述空穴阻挡层包括二氧化钛、氧化锌和硫化锌中的一种或更多种。
13.根据权利要求11所述的垂直场效应晶体管，其中，所述空穴阻挡层包含纳米晶体。
14.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，其中，所述介电层包括高κ介电物。
15.根据权利要求14所述的垂直场效应晶体管，其中，所述介电层包括氧化铪。
16.根据权利要求1所述的垂直场效应晶体管，其中，所述电荷传输层具有比所述多孔导体层的功函数高的功函数。
17.一种制造垂直场效应晶体管的方法，所述方法包括：
形成介电层；以及
在所述介电层上方沉积导体层，其中，在沉积期间所述介电层的一个或更多个区域被掩蔽，使得所述导体层包括延伸穿过所述导体层的多个孔。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述孔各自具有在0.1μm与10μm之间的直径。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述导体层通过溅射形成。
20.一种操作垂直场效应晶体管的方法，所述垂直场效应晶体管包括第一电极、介电层、多孔导体层、与所述多孔导体层接触的电荷传输层、以及第二电极，所述介电层位于所述第一电极与所述多孔导体层之间，并且所述电荷传输层位于所述多孔导体层与所述第二电极之间，所述方法包括：
从所述多孔导体层向所述第一电极施加第一偏压；
从所述多孔导体层向所述第二电极施加第二偏压，所述第二偏压具有与所述第一偏压的正负号相反的正负号，
其中，在所述第一电极处注入的空穴在所述电荷传输层中以超过1000％的转换效率产生自由电子。
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