CN108649095B - 基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件及其制备方法，器件包括层叠设置的第一金属电极层和硅衬底，硅衬底上表面相对两侧端均设置有二氧化硅层，硅衬底两侧端二氧化硅层上分别设置有第二金属电极层和第三金属电极层，第二金属电极层和第三金属电极层上设置有垂直生长的石墨烯纳晶碳膜，石墨烯纳晶碳膜与硅衬底上表面接触并形成光电异质结。本发明通过在第二金属电极层与第三金属电极层之间施加源极漏极电压，在第一金属电极层与第二金属层电极之间施加栅极电压，可显著改变碳膜中石墨烯纳晶的费米能级，有效提高场效应管结构光电器件的光电转换效率，这种增益机制对载流子的运输与重组过程较传统光电三极管更快速高效，且超带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光电三极管领域，尤其涉及一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件及其制备方法。
背景技术
光电三极管作为晶体管的一种，当有入射光照射时，可实现光信号到电信号的转换。传统光电晶体管的敏锐度可达到毫安级，在电路中通常起到开关和电流放大的作用。然而，由于传统的光电晶体管通常采用二维石墨烯材料制备，这样的光电晶体管对于其边缘效应的利用并不高，导致其通常存在光波响应范围窄、响应速度慢等缺点。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件及其制备方法，旨在解决现有光电晶体管存在光波响应范围窄、响应灵敏度较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其中，包括从下至上依次层叠设置的第一金属电极层和硅衬底，所述硅衬底上表面相对两侧端均设置有二氧化硅层，所述硅衬底两侧端二氧化硅层上分别设置有第二金属电极层和第三金属电极层，所述第二金属电极层和第三金属电极层上设置有垂直生长的石墨烯纳晶碳膜，所述石墨烯纳晶碳膜与硅衬底上表面接触并通过范德华作用形成光电异质结；所述第二金属电极层与第三金属电极层之间设置有用于输出源极漏极电压的第一电源，所述第一金属电极层与第二层电极之间设置有用于输出栅极电压的第二电源。
所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其中，所述石墨烯纳米晶碳膜的厚度为50-80nm。
所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其中，所述第一金属电极层、第二金属电极层和第三金属电极层的材料均为钛金合金材料。
所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其中，所述硅衬底的厚度为0.4-0.6mm。
所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其中，所述二氧化硅层的厚度为200-400nm。
一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件的制备方法，其中，包括步骤：
在氧气氛围下，对硅衬底进行热处理使硅衬底上表面覆盖有二氧化硅层；
通过光刻工艺去除硅衬底上表面中间区域的二氧化硅层，在硅衬底上表面相对两侧端保留二氧化硅层；
在所述硅衬底的下表面沉积第一金属电极层，并在所述硅衬底两侧端二氧化硅层表面分别沉积第二金属电极层和第三金属电极层；
在显微观测下，将预先制备好的石墨烯纳晶碳膜通过定点转移方法搭覆在所述第二金属电极层和第三金属电极层上，所述石墨烯纳晶碳膜与所述硅衬底接触并通过范德华作用形成光电异质结；
在所述第二金属电极层和第三金属电极层之间设置用于输出源极漏极电压的第一电源，并在第一金属电极层和第二金属电极层之间设置输出栅极电压的第二电源，形成基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件。
所述基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件的制备方法，其中，所述石墨烯纳晶碳膜的制备方法包括步骤：
以氩气等离子体作为离子源，碳基片作为靶源，通过直流溅射在二氧化硅基体表面生长碳纳米薄膜；
改变等离子体中氩气气压氛围，采用低能电子照射在所述碳纳米薄膜中诱导垂直生长石墨烯纳晶，得到石墨烯纳晶碳膜。
所述基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件的制备方法，其中，在改变等离子体中氩气气压氛围，采用低能电子照射在所述碳纳米薄膜中诱导生长石墨烯纳晶的步骤中，所述电子密度为109-1010个/cm3。
有益效果：本发明的场效应管结构光电器件中包含由垂直生长的石墨烯纳晶碳膜和硅衬底组成的光电异质结、以及位于硅衬底上表面的两个金属电极，所述金属电极和硅衬底之间被二氧化硅层隔绝，所述两个金属电极用来对石墨烯纳晶碳膜施加源极漏极电压，所述硅衬底下表面金属电极用于施加栅极电压。与传统光电三极管相比，本发明的场效应管结构光电器件结构更加新颖并且光电转换效率获得极大的提高，给予三极管正向或反向外部偏压可以显著改变碳膜中石墨烯纳晶的费米能级，这种新型增益机制对载流子的运输与重组过程较传统光电三极管更快速高效，且超带宽。与二极管结构相比，在碳膜上施加的源极漏极电压使得在光电异质结中由光照产生的光生载流子被迅速导走，大大提升了光电响应度，并且对微弱光线具有超高灵敏度。
附图说明
图1为本发明一种基于石墨烯纳晶碳膜的场效应管结构光电器件较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明场效应管结构光电器件在有弱光和无光照射条件下栅极电压与光电流伏安曲线对比图。
图3 为本发明场效应管结构光电器件在施加源极漏极动态偏压时光电流与无偏压下光电流伏安特性曲线对照特性曲线。
图4含石墨烯纳晶碳膜的场效应管结构光电器件对不同功率的微弱光线的光响应率曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件较佳实施例的结构示意图，如图所示，所述场效应管结构光电器件包括从下至上依次层叠设置的第一金属电极层10和硅衬底20，所述硅衬底20上表面相对两侧端均设置有二氧化硅层30，所述两侧端二氧化硅层30上分别设置有第二金属电极层40和第三金属电极层50，所述第二金属电极层40和第三金属电极层50上设置有垂直生长的石墨烯纳晶碳膜60，所述石墨烯纳晶碳膜60与硅衬底20上表面接触并通过范德华作用形成光电异质结；所述第二金属电极层40与第三金属电极层50之间设置有用于施加源极漏极电压的第一电源70，所述第一金属电极层10和第二金属电极层之间设置有用于施加栅极电压的第二电源80。
本发明所提供的场效应管结构光电器件中包含由石墨烯纳晶碳膜和硅衬底组成的光电异质结，其对于光吸收波长范围达到300-1100nm，并且在可见光(VIS)到近红外(NIR)波长范围（550~850nm）内的光响应率是普通碳-硅异质结的两倍，该碳膜含有的石墨烯纳晶中特殊零带隙结构使得碳膜具备对超宽范围光谱的吸收能力。低能离子照射下制备的碳膜具有很强柔韧性和极高设计性等优点，较于传统利用二维平面石墨烯结构的光电传感器对于其边缘效应的利用并不高这一缺陷，本发明提出的新型结构很大程度上发挥了碳膜-硅异质结构的高输出、快响应、超带宽特性。本发明中的场效应管结构光电器件较于普通石墨烯光电三极管，其制备工艺中也更加简便，封装与保存更加高效与便利。
在其中一实施方式中，本发明优选空穴浓度大于自由电子浓度的硼掺杂P型硅作为衬底，所述P型硅衬底在1000-1500℃的氧气氛围中经过热处理在其上表面形成一层厚度为200-400nm的二氧化硅层。之后通过光刻工艺去除硅衬底上表面中间区域的二氧化硅层，在硅衬底上表面相对两侧端保留二氧化硅层，所述光刻工艺的具体过程为：在含有二氧化硅层的硅衬底表面涂布均匀的光刻胶薄膜，覆盖指定形状掩膜板后加准分子激光器进行曝光，无掩膜板遮挡部分的光刻胶曝光后通过显影定影工艺被清除露出二氧化硅层，用蚀刻液将无光刻胶覆盖的二氧化硅层腐蚀，留下有光刻胶覆盖的区域，即剩下的覆盖有光刻胶的二氧化硅层。进一步地，通过曝光显影去除所述二氧化硅层表面的光刻胶。
优选地，所述硅衬底的厚度为0.4-0.6mm，作为举例，所述硅衬底的厚度为0.45mm、0.5mm、0.55mm等。
更进一步地，用掩膜板覆盖P型硅衬底的上表面，利用真空蒸镀法在二氧化硅层表面分别制备第二金属层和第三金属层，分别作为场效应管结构光电器件的源极和漏极；在所述P型硅衬底的下表面蒸镀第一金属电极作为场效应管结构光电器件的栅极。所述第二金属层和与第三金属电极层通过电线并联后再经过系统电源与所述第一金属电极层串联。
优选地，所述第一金属电极层、第二金属电极层和第三金属电极层的材料均为钛金合金材料。
在其中一实施方式中，利用电子回旋共振（ECR）低能离子照射技术在一片新的二氧化硅衬底上垂直生长出含有高密度石墨烯纳晶结构的纳米碳膜。具体地，首先以氩气等离子体作为离子源，碳基片作为靶源，通过直流溅射在二氧化硅基体表面生长碳纳米薄膜，然后改变等离子体中氩气气压氛围，利用低能电子照射在碳膜中诱导垂直生长石墨烯纳晶。镀碳膜过程中通过调节氩气和基片偏压参数改变离子照射密度，可控制石墨烯纳晶的生长状态和边缘态密度，利用透射电镜和拉曼光谱研究分析石墨烯纳晶键合方式平均层内尺寸和堆叠层数等形态。
优选地，在采用低能电子照射在所述碳纳米薄膜中诱导生长石墨烯纳晶的步骤中，所述电子密度为109-1010个/cm3。
优选地，通过电子回旋共振（ECR）低能离子照射技术制备的石墨烯纳晶碳膜的厚度为50-80nm。作为举例，其厚度可为50nm、60nm、70nm、80nm等，但不限于此。
在显微观测下，将预先制备好的石墨烯纳晶碳膜通过定点转移方法搭覆在所述第二金属电极层和第三金属电极层上，所述石墨烯纳晶碳膜与所述硅衬底接触并通过范德华作用形成光电异质结。
具体来讲，将镀好石墨烯纳晶碳膜的二氧化硅片放入10%的氢氟酸溶液中一小时左右，二氧化硅层溶解，剩余石墨烯纳晶碳膜漂浮于溶液中，将海苔状石墨烯纳晶碳膜捞起，在显微镜观测下利用定点转移方法，将“海苔”石墨烯纳晶碳膜搭覆于指定的硅衬底表面，转移的石墨烯纳晶碳膜与硅衬底接触遵循范德华瓦尔斯结合，石墨烯纳晶碳膜上两端金电极分别为源极和漏极并且在其间形成电压（VSD），位于硅衬底背面的金电极作为栅极，且与漏极连接外部电源形成电压VG。
由于石墨烯本身具有固有载流子，故在特定电压下仍然存在暗电流，但其本身固有的光生电流较小，在以往运用到二维平面石墨烯的光电传感器中，由于石墨烯生成光载流子产生的电流的贡献并不大，且以往研究中也表明大部分光诱导的载流子均是由硅中生成注入石墨烯的。本发明对这种增益方案作出改进，搭建在硅衬底上方的两端金属电极在由石墨烯纳晶碳膜和硅构成的光电异质结处构成的回路中存在内置电位差，电子-空穴对重新结合前，结构外部施加的偏压通过驱动电子快速替换这些未结合载流子几次，从而导致较大光电流的产生。
本发明中最核心的石墨烯纳晶碳膜和硅构成的光电异质结中由于包含了石墨烯纳晶，其具有高迁移率的超快载流子输运能力，单个光诱导产生的载流子在此结构下的寿命会额外循环多次，这就使得该结构光电传感器量子增益效果十分明显。如图2所示，图2对比了在栅极电压条件下有光和无光照射下的石墨烯纳晶碳膜和硅衬底组成的光电异质结产生的光电流大小。从图2中可看出，有弱光照射条件产生的光电流对比无光照条件的暗电流，施加了较低的栅极电压后光电流急剧上升达到快速饱和。这种高度可调谐光电流相应率是石墨烯在费米能级附近独特电子结构的结果，本发明提供的场效应管结构光电器件可作为各类微弱信号检测的传感电路的核心单元，石墨烯纳晶碳膜和P型硅衬底组成的光电异质结可以显著提升系统对微弱变化信号的灵敏度和准确性。
对照以往仅施加两级的石墨烯纳晶碳膜二极管产生的光电流，本发明提出在栅极偏压（VG）基础上, 施加第三端动态连接源极与漏极（VSD）可产生更强的光电流。如图3所示，在附加VSD电压的作用下，VSD从0V增大到5V时，VG=0V和-2V下的光电流都迅速增大。这是由于，在碳膜上施加的VSD使得在异质结中由光照产生的光生载流子被迅速导走，大大减小了空穴电子复合几率，大大提升了光电响应性能。
在本发明中，由电子诱导生长的石墨烯纳晶碳膜本身具有N型半导体的导电特性，因此选用P型硅作为接触材料。图1所示场效应管结构光电器件中，石墨烯纳晶碳膜与硅衬底之间的转移与接触均遵循范德华结合，石墨烯纳晶碳膜与硅衬底接触形成PN型光电异质结，该结构光电响应的有效面积为0.7mm× 0.7mm（搭于硅片表面的石墨烯纳晶碳膜部分）。光子能量使得P型硅衬底和石墨烯纳晶碳膜嵌层内部的价带电子激发到导带，充分利用碳膜中石墨烯纳晶边界量子对电子的捕获作用，阻止了石墨烯纳晶碳膜与P型硅边界处电子与空穴的重组，形成很高光电流。P型硅衬底和石墨烯嵌层内部的光电子迅速被石墨烯边界量子阱俘获。
在较低的入射功率照射下，本发明结构因为含有附加VSD回路电压（源极和漏极之间的电压），导致I-VG曲线较传统二极管光响应曲线具有更高的光电流与光电压值，在栅极外加偏压（-0.2~+0.2V）时，如图2常规表达PN结光响应率的I-VG曲线具有正向导通反向截止特性，无光和弱光如图（例如：光照能量P=1.23微瓦，波长为488nm）照射下的伏安特性曲线的特点（遵循传统的光电二极管的整流特性）。如图3所示，在附加VSD电压的作用下，VSD从0V增大到5V时，VG=0V和-2V下的光电流都迅速增大。这是由于，在碳膜上施加的VSD使得在异质结中由光照产生的光生载流子对迅速被导走，大大减小了空穴电子复合几率，大大提升了光电响应性能。这种三极管结构具有很高效的灵敏度，在光伏模式下使其非常适合在微弱信号检测器应用中得到发挥。如图4所示，入射光的能量作为一种可调因素被利用，在能量最低时，光响应度达到107A/W。
光电流的强烈抑制作用时VG =0，在施加了较低的反向偏压后光电流急剧上升达到快速饱和。这种高度可调谐光电流相应率是石墨烯在费米能级附近独特电子结构的结果。生成开路电压，本发明的含石墨烯纳晶碳膜的光电三极管中的碳膜-硅异质结在上端两处金电极接线点处构成回路，可达到对300-1100nm波长范围响应和2-4微秒的响应时间。
综上所述，本发明提供的场效应管结构光电器件可作为各类微弱信号检测的传感电路的核心单元，石墨烯纳晶碳膜和P型硅衬底组成的光电异质结可以显著提升系统检测变化信号的灵敏度和准确性。入射光的能量作为一种可调因素被利用，在能量最低时，光响应度达到107A/W。该光电异质结表现出很高的光子到电子的转化率（约为57%)，并且在入射光变化范围很大的条件下加入反向偏压时依旧保持这种高效的转化率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其特征在于，包括从下至上依次层叠设置的第一金属电极层和硅衬底，所述硅衬底上表面相对两侧端均设置有二氧化硅层，所述硅衬底两侧端二氧化硅层上分别设置有第二金属电极层和第三金属电极层，所述第二金属电极层和第三金属电极层上设置有垂直生长的石墨烯纳晶碳膜，所述石墨烯纳晶碳膜通过定点转移方法搭覆在所述第二金属电极层和第三金属电极层上，所述石墨烯纳晶碳膜与硅衬底上表面接触并通过范德华作用形成光电异质结；所述第二金属电极层与第三金属电极层之间设置有用于输出源极漏极电压的第一电源，所述第一金属电极层与第二金属电极层之间设置有用于输出栅极电压的第二电源。
2.根据权利要求1所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其特征在于，所述石墨烯纳米晶碳膜的厚度为50-80nm。
3.根据权利要求1所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其特征在于，所述第一金属电极层、第二金属电极层和第三金属电极层的材料均为钛金合金材料。
4.根据权利要求1所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其特征在于，所述硅衬底的厚度为0.4-0.6mm。
5.根据权利要求1所述的基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为200-400nm。
6.一种基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在氧气氛围下，对硅衬底进行热处理使硅衬底上表面覆盖有二氧化硅层；
通过光刻工艺去除硅衬底上表面中间区域的二氧化硅层，在硅衬底上表面相对两侧端保留二氧化硅层；
在所述硅衬底的下表面沉积第一金属电极层，并在所述硅衬底两侧端二氧化硅层表面分别沉积第二金属电极层和第三金属电极层；
在显微观测下，将预先制备好的石墨烯纳晶碳膜通过定点转移方法搭覆在所述第二金属电极层和第三金属电极层上，所述石墨烯纳晶碳膜与所述硅衬底接触并通过范德华作用形成光电异质结；
在所述第二金属电极层和第三金属电极层之间设置用于输出源极漏极电压的第一电源，并在第一金属电极层和第二金属电极层之间设置输出栅极电压的第二电源，形成基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件。
7.根据权利要求6所述基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳晶碳膜的制备方法包括步骤：
以氩气等离子体作为离子源，碳基片作为靶源，通过直流溅射在二氧化硅基体表面生长碳纳米薄膜；
改变等离子体中氩气气压氛围，采用低能电子照射在所述碳纳米薄膜中诱导垂直生长石墨烯纳晶，得到石墨烯纳晶碳膜。
8.根据权利要求7所述基于纳晶结构碳膜的场效应管结构光电器件的制备方法，其特征在于，在改变等离子体中氩气气压氛围，采用低能电子照射在所述碳纳米薄膜中诱导生长石墨烯纳晶的步骤中，所述电子密度为109-1010个/cm3。
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