[發明專利]一種量子點/石墨烯光敏場效應管及其制備方法

無效

• 申請號: 201410130767.6
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN103943713A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 張雅婷;王茂榕;宋效先;金露凡;王海艷
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L31/09
• 分類號: H01L31/09;H01L31/0352;H01L31/18
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 李益書

技術領域

?本發明屬于半導體材料及光電器件領域，涉及到一種光敏感場效應管，特別是一種基于量子點/石墨烯的紅外波段光敏感場效應管。

背景技術

傳統的場效應晶體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。制作方法較為成熟，器件成型也較為穩定。從它的工作過程來看，場效應晶體管的源極和漏極是可以互換的，即場效應晶體管的源極和漏極具有對稱性，在實際使用過程中這一性質避免了反接造成電路損壞的可能，普通晶體管是不容易做到的。其次，場效應晶體管的噪聲系數低，并且具有很強的防輻射能力。

在傳統硅基器件日益趨近物理極限的背景下，含有量子點或者石墨烯的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于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。而石墨烯本身作為一種碳的特殊結構，具有極高遷移率和高載流子速度，電子在其中的運動速度遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

量子點與石墨烯材料的結合，既綜合了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，具有優越的光可調諧性和光催化性，這也是改善電子-空穴電荷分離及其電子轉移效率的一條有效途徑，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，其中用來做場效應管的研究近幾年也是日漸增多。

石墨烯材料與量子點材料的共同優勢，可實現對入射光的快速響應，并且可以對相應波長進行寬帶寬調諧，在近紅外及中紅外波段均可實現較高的響應，已有實驗及前期工作也證明了這種器件可以在室溫下穩定工作，不需要低溫條件的限制，因此對于這種新型量子點場效應管的器件化和產業化也奠定了堅實的可行性實踐基礎。在過去的幾年中，研究人員已經調查和研究了多種不同的材料系統和納米結構，以制造新型的場效應晶體管（FET），包括碳納米管（CNTs）和石墨烯，Si納米線和SiGe半導體場效應晶體管，以及Ge和InGaAs場效應管，基于各種新材料的場效應管也在不斷涌現。

隨著場效應管尺度的縮小，器件加工很難保證均勻性，器件的加工精度及摻雜均勻性也成為制約。當器件尺度達到納米尺寸時，器件中的摻雜原子數也將會降到幾百甚至幾十的程度。使得場效應管的電學穩定性變差。

發明內容

本發明目的是解決小尺寸場效應管因受加工精度和摻雜均勻性制約而影響場效應管的電學特性穩定性及提高載流子輸運能力問題，提出一種新型的量子點/石墨烯光敏場效應管，并公開了這種場效應管的詳細制備方法。

本發明公開的新型場效應管是一種基于量子點/石墨烯實現電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形式。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。

本發明提供的的量子點/石墨烯光敏場效應管整體結構由多層不同材質復合組成，從最底層往上依次為：

硅基襯底層，該層為N型或者P型高摻雜單晶硅層，厚度在3±0.5μm；

二氧化硅層，該層緊挨硅基襯底層上方，厚度為300±5nm；

石墨烯層，該層在二氧化硅層上方，為單層的石墨烯；

電極層，該層在石墨烯層上方，中間留有溝道，溝道兩側的電極層分別為用作場效應管的源極和漏極，從源極和漏極引出導電線用于測試和器件工作，電極層厚度為200±5nm，電極材質可以相同或者不同，材質相同時源極和漏極可以互換使用；

量子點層，該層也位于石墨烯層上方，并處于電極層中間的溝道位置。量子點層可以制備為單層量子點，也可以制備為多層量子點，因不同量子點的差異每層厚度在20±5nm。

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本發明中涉及的量子點/石墨烯光敏場效應管是逐層制備的，基于該場效應管的特定結構，從襯底層到電極層需逐步進行制備，具體的制作過程如下：

第1、硅基襯底層和二氧化硅層的制備

所述的硅基襯底層和二氧化硅層的制備均采用現有成熟技術。

第2、石墨烯層的制備

所述的石墨烯層制備過程，本發明中采用濕法轉移的方法，具體方法如下：

1）單層石墨烯是生長在超薄銅箔表面，在轉移前用PMMA進行石墨烯的保護，采用低濃度的PMMA溶液（用乙酸乙酯對PMMA進行稀釋，PMMA體積分數為5%），通過勻膠臺高速旋轉涂覆在銅箔表面，形成PMMA/石墨烯/銅箔層對石墨烯進行保護；