基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管及其製備方法與流程

2023-07-05 17:25:16 4

本發明屬於半導體材料及光電器件技術領域，涉及一種光敏場效應管，具體的說，是涉及一種垂直溝道型光敏場效應管及其製備方法。

背景技術：

場效應管發展至今，其基本的器件構成和工作原理類似，均包含三個電極，即源極、漏極、柵極。傳統的場效應管是利用柵極電壓控制導電溝道中載流子數目實現其功能的，製作方法較為成熟，器件成型也較為穩定。垂直溝道型場效應管同時具備了普通場效應管的優點和垂直溝道的很多獨特的性質，從其結構組成來看，垂直溝道型場效應管的漏極、半導體層和源極垂直分布。

在傳統矽基器件日益趨近物理極限的背景下，量子點場效應管作為一種新型納米器件受到了廣泛關注。量子點的三個維度上的尺寸都在納米量級，從材料維數受限的角度來看，當材料在不同方向上的維度尺寸小於該材料的費米波長時，材料中電子在該方向上的運動受限，導致其物理特性、光學特性發生了很大的變化。但隨著場效應管尺度的縮小，器件加工的均勻性問題變得越來越嚴重，器件的加工精度及摻雜均勻性也成為制約，使得場效應管的電學特性和穩定性變差。而垂直溝道型場效應管可以克服傳統場效應管的性能限制，可以實現異質結尺寸減小從而使得整個場效應管尺寸縮小，進而實現小操作電壓下得到大的傳輸電流，並提高光敏場效應管的光效應靈敏度。

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶體結構的一種碳質新材料，具有良好的電學、光學和機械性能。單層石墨烯透明度高，導電性好，厚度僅為0.3～0.4nm，是優良的電極材料。目前，國際上以石墨烯為透明電極製備的垂直溝道場效應管主要採用有機材料作為半導體層。由於有機材料在空氣中的穩定性較差，載流子遷移率也較低，由其作為半導體層製成的垂直溝道場效應管性能較差。而以性能較好的光敏量子點作為半導體溝道層的石墨烯電極垂直溝道場效應管還未有報導。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於目前橫向場效應管隨著尺度的縮小，器件加工的均勻性、加工精度及摻雜均勻性成為制約，使得電學特性、穩定性變差等缺陷；以及現有採用有機材料作為半導體溝道材料製成的石墨烯電極垂直溝道場效應管性能較差的缺陷，提供一種基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管及其製備方法，採用量子點作為半導體層、單層石墨烯作為透明電極，既綜合了PbS/PbSe量子點獨特的可調諧的光學特性、發光效率較高，又兼備石墨烯材料室溫導電速度最快、導熱能力最強、比表面積大等優點，具有的優越的電特性和光可調諧性，在柔性光電材料、太陽能電池、傳感探測等諸多領域中具有很好的應用前景。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種量子點垂直溝道型光敏場效應管，包括作為襯底層的柵極-高摻雜單晶矽層，所述柵極-高摻雜單晶矽層上設置有二氧化矽層作為絕緣層，所述二氧化矽層上設置有單層石墨烯作為源極層；所述單層石墨烯上一側設置有源極金接觸層作為源極傳輸層，另一側設置有量子點層作為垂直導電溝道；所述量子點層上設置有金電極作為漏極層；所述源極金接觸層和所述金電極之間連接導線。

優選地，所述柵極-高摻雜單晶矽層的厚度為3μm。

優選地，所述二氧化矽層的厚度為300nm。

優選地，所述量子點層為PbS量子點層或PbSe量子點層。

優選地，所述量子點層的單層厚度為20-22nm，層數為3-20。

優選地，所述源極金接觸層和所述金電極的厚度均為200nm。

一種上述量子點垂直溝道型光敏場效應管的製備方法，該方法按照以下步驟進行：

(1)製備所述柵極-高摻雜單晶矽層作為襯底層和所述二氧化矽層作為絕緣層；

(2)在所述二氧化矽層上轉移單層石墨烯作為源極層；

(3)在所述單層石墨烯上的一側製備源極金接觸層作為源極傳輸層，在所述單層石墨烯上的另一側製備量子點層作為垂直導電溝道；

(4)在所述量子點層上製備金電極作為漏極層。

優選地，步驟(2)中所述單層石墨烯由溼法轉移獲得。

優選地，步驟(3)中所述源極金接觸層和步驟(4)中所述金電極利用多源有機氣相沉積系統採用真空蒸鍍法製備。

優選地，步驟(4)所述量子點層的具體製備步驟如下：

a.放置已經製備所述柵極-高摻雜單晶矽層、所述二氧化矽層、所述單層石墨烯的器件在勻膠臺上，設置勻膠臺轉速為2000rpm；

b.勻膠臺轉速穩定後，取一滴PbS或PbSe量子點溶液滴於旋轉的所述器件表面，等待10秒至器件乾燥；

c.依次滴三滴稀釋後的乙二硫醇溶液，所述乙二硫醇溶液的體積濃度為2％，每滴完一滴需等待10秒至器件乾燥；

d.依次滴兩滴乙腈溶液，所述乙腈溶液為分析純，每滴完一滴需等待10秒至器件乾燥；

e.依次滴兩滴甲苯溶液，所述甲苯溶液為分析純，每滴完一滴需等待10秒至器件乾燥；

d.重複步驟(b)至步驟(e)3-20次，得到3-20層單層量子點構成的量子點層。

本發明的有益效果是：

本發明的基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管及其製備方法，利用PbS/PbSe量子點獨特的可調諧的光學特性和石墨烯材料室溫導電速度快、導熱能力強、比表面積大等優點，具有的優越的電特性和光可調諧性，對紅外波段的入射光具有較高的響應度；其製備方法中，襯底和二氧化矽層的製備採用現有比較成熟的技術，可靠性和穩定性高而且成本較低，然後通過先沉積石墨烯源電極後塗覆量子點層的方法將量子點層塗覆在源極和漏極的中間區域，形成具有短垂直溝道的場效應管，工藝簡單，成本低，性能好，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明所提供的基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的縱切面結構示意圖；

圖2是本發明所提供的基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的平面結構示意圖；

圖3是本發明所提供的基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的製備方法流程圖；

圖4為實施例所製備的基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的外觀圖。

圖中：1.襯底層，2.二氧化矽層，3.單層石墨烯，4.源極金接觸層，5.量子點層，6.金電極。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發明作進一步的詳細描述，以下實施例可以使本專業技術人員更全面的理解本發明，但不以任何方式限制本發明。

實施例1

本實施例提供了一種新型的量子點垂直溝道型光敏場效應管，並公開了這種場效應管的構成及詳細製備方法。

本實施例公開的新型場效應管是一種基於石墨烯電極和PbS/PbSe量子點垂直溝道，可實現載流子高遷移率的光敏場效應管，可以通過外界光的變化來改變器件的工作性能。在入射光作用下可以實現量子點的高載流子濃度以及通過石墨烯電極的高遷移率實現對載流子的傳輸，從而控制漏極的電流輸出。器件對近紅外光具有較高的響應度和非常快的響應速度。

如圖1和圖2所示，本實施例涉及到的光敏場效應管整體結構由多層不同材質複合組成，從最底層往上依次為：

襯底層1，該層為柵極-高摻雜單晶矽層，厚度在3μm；

二氧化矽層2，該層在襯底層1上方緊挨襯底層1，厚度為300nm，作為絕緣層；

單層石墨烯3，該層在二氧化矽層2上方緊挨二氧化矽層2，是場效應管的源極，由溼法轉移獲得；

源極金接觸層4，該層在單層石墨烯3一側的上方且緊挨單層石墨烯3，是場效應管的源極傳輸層，運用金作為電極材質，通過真空蒸鍍方法獲得，厚度為200nm；

量子點層5，為PbS量子點層或PbSe量子點層，該層在單層石墨烯3另一側的上方且緊挨單層石墨烯3，其厚度與旋塗量子點溶液的層數相關，一般單層厚度為20-22nm，層數為3-20。

金電極6作為漏極層是最上一層，運用金作為電極材質，通過真空蒸鍍方法獲得，厚度為200nm；

可以從源極和漏極引出導電線用於測試和器件工作。

本實施例中涉及的基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管是逐層製備的，基於該場效應管的特定結構，從襯底層到漏極層需逐步進行製備。

下面公開基於石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的製備過程：

(一)襯底層1和二氧化矽層2的製備均採用現有成熟技術，利用MOCVD的方法製備矽基襯底層1，襯底層1為柵極-高摻雜單晶矽，厚度為3μm，上層氧化的的二氧化矽層2厚度為300nm。

(二)在二氧化矽層2上轉移單層石墨烯3作為源極層，具體方法如下：

1)對生長在超薄銅箔表面的單層石墨烯進行PMMA薄膜保護，將PMMA粉末溶解於乙酸乙酯溶液中，PMMA體積分數為5％。通過勻膠臺高速旋轉塗覆在銅箔表面，「石墨烯/銅箔」通過負壓吸附在檯面上，勻膠臺設定轉速為固定的3000轉每分鐘，PMMA溶液逐滴滴在「石墨烯/銅箔」的表面，最終形成均勻的表面PMMA膜；

2)將PMMA/石墨烯/銅箔置於稀釋後的銅箔腐蝕液中，銅箔腐蝕液進行稀釋，稀釋比例為腐蝕液：去離子水＝30:1，並倒於表面皿中，將器件浸入腐蝕液中，進行計時腐蝕50分鐘，腐蝕完後的銅箔完全溶解在溶液中，PMMA/石墨烯會降落在二氧化矽/矽基的表面，形成PMMA/石墨烯/二氧化矽/矽基；

3)對PMMA/石墨烯/二氧化矽/矽基用去離子水進行三次衝洗，去除銅箔腐蝕液殘留；

4)在PMMA/石墨烯/二氧化矽/矽基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面PMMA保護層，並等待丙酮揮發完全，形成石墨烯/二氧化矽/矽基結構；

5)對石墨烯/二氧化矽/矽基結構用去離子水清洗三次，去除丙酮殘留；

6)對步驟5)處理過的器件進行120℃下15分鐘焙燒，去除可能殘留的去離子水，石墨烯就會幹燥的附著在襯底上面。

(三)在單層石墨烯3上的一側製備量子點層4作為垂直導電溝道，量子點層的具體製備步驟如下：

a.放置已經製備柵極-高摻雜單晶矽層1、二氧化矽層2、單層石墨烯3的器件在勻膠臺上，設置勻膠臺轉速為2000rpm，旋轉時間60秒；

b.將製備的PbS或PbSe量子點材料溶解在甲苯溶液中，配置成30mg/mL的量子點溶液；勻膠臺轉速穩定後，取一滴PbS或PbSe量子點溶液滴於旋轉的器件表面，等待10秒至器件乾燥；

c.滴一滴稀釋後的乙二硫醇溶液，稀釋後的乙二硫醇溶液的體積濃度為2％，選取溶劑為乙腈，等待10秒乾燥，重複該步驟滴入三滴稀釋後的乙二硫醇溶液；

d.依次滴兩滴乙腈溶液，乙腈溶液為分析純，每滴完一滴均需等待10秒，待乾燥後進行下一滴；

e.滴兩滴甲苯溶液，甲苯溶液為分析純，每滴完一滴均需等待10秒，待乾燥後進行下一滴。

以上為單層量子點的製備過程，可以通過重複多次滴加的方法，來控制量子點層數及層的厚度，可以得到性能不一的場效應管。一般量子點的層數為3-20，單層厚度為20-22nm。本實施例中進行的是5層量子點設計，厚度在110nm。本實施例中最終成型的石墨烯電極量子點垂直溝道型光敏場效應管如圖4所示。

(四)在單層石墨烯3上的另一側製備源極金接觸層5作為源極傳輸層，在量子點層4上製備金電極6作為漏極層。在實際應用中電極可以設計為多種樣式，本實施例中金屬電極設計利用多源有機氣相沉積系統採用真空蒸鍍法製備而成，蒸鍍電極使用的金屬均為高純金，純度為99.995％，蒸鍍的電極厚度是200nm。具體操作過程如下：

1.取出多源有機氣相沉積系統製作的模具，將待蒸鍍電極的器件放入其中，模具可以根據需要進行選擇性打開，以接受氣態金屬的附著。

2.五根高純金絲(99.995％)置於多源有機氣相沉積系統的鎢舟內，質量分別為0.0327g、0.0308g、0.0269g、0.0344g、0.0271g。

3.模板和金屬金放好以後，擋好遮擋板，關閉料箱電燈。通過抽真空控制板打開機械泵，利用機械泵進行初步抽真空，當真空度達到102Pa，系統自動進行分子泵抽真空，真空度值為3×10-4Pa。

4.通過石英晶體膜厚監測儀板，打開石英晶體膜厚監測儀進行檢測。同時打開電流面板的開關，調節電流值。剛開始時，通過電流面板調節電流大小，同時觀察材料狀態變化，當電流達到70A時，金開始熔化。

5.繼續增加電流至80A時，金開始沸騰。當金達到沸騰狀態以後，石英晶體監測儀示數變化量增加，當示數變化率達到每秒10Hz時，迅速打開擋板，根據制膜的厚度的要求，控制監測儀的示數變化值達到2000Hz要求，迅速關閉擋板。繼續觀察監測儀的示數變化，當示數變化達到0～1Hz時，逐步減小電流，直到為零。

6.當電流示數為零時，停止抽真空，直到分子泵停止工作。繼續觀察分子泵控制器面板，分子泵轉速為零。關閉壓強計，充氣，打開料門，停止充氣，取出模具，再取出樣品。

本發明的優點在於，襯底的製備採用現有比較成熟的技術，可靠性和穩定性高而且成本較低；通過先沉積石墨烯源電極後塗覆量子點層的方法將量子點層塗覆在源極和漏極的中間區域，形成具有短溝道的場效應管，對紅外波段的入射光具有較高的響應度。

儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬於本發明的保護範圍之內。