[发明专利]一种量子点/石墨烯光敏场效应管及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明属于半导体材料及光电器件领域，涉及到一种光敏感场效应管，特别是一种基于量子点/石墨烯的红外波段光敏感场效应管。

背景技术

传统的场效应晶体管是利用栅极电压控制导电沟道中载流子数目实现其功能的。制作方法较为成熟，器件成型也较为稳定。从它的工作过程来看，场效应晶体管的源极和漏极是可以互换的，即场效应晶体管的源极和漏极具有对称性，在实际使用过程中这一性质避免了反接造成电路损坏的可能，普通晶体管是不容易做到的。其次，场效应晶体管的噪声系数低，并且具有很强的防辐射能力。

在传统硅基器件日益趋近物理极限的背景下，含有量子点或者石墨烯的场效应管作为一种新型纳米器件受到了广泛关注。量子点的三个维度上的尺寸都在纳米量级，从材料维数受限的角度来看，当材料在不同方向上的维度尺寸小于该材料的费米波长时，材料中电子在该方向上的运动受限，导致其物理特性、光学特性发生了很大的变化。而石墨烯本身作为一种碳的特殊结构，具有极高迁移率和高载流子速度，电子在其中的运动速度远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

量子点与石墨烯材料的结合，既综合了量子点独特的可调谐的光学特性、发光效率较高，又兼备石墨烯材料室温导电速度最快、导热能力最强、比表面积大等优点，具有优越的光可调谐性和光催化性，这也是改善电子-空穴电荷分离及其电子转移效率的一条有效途径，在柔性光电材料、太阳能电池、传感探测等诸多领域中具有很好的应用前景，其中用来做场效应管的研究近几年也是日渐增多。

石墨烯材料与量子点材料的共同优势，可实现对入射光的快速响应，并且可以对相应波长进行宽带宽调谐，在近红外及中红外波段均可实现较高的响应，已有实验及前期工作也证明了这种器件可以在室温下稳定工作，不需要低温条件的限制，因此对于这种新型量子点场效应管的器件化和产业化也奠定了坚实的可行性实践基础。在过去的几年中，研究人员已经调查和研究了多种不同的材料系统和纳米结构，以制造新型的场效应晶体管（FET），包括碳纳米管（CNTs）和石墨烯，Si纳米线和SiGe半导体场效应晶体管，以及Ge和InGaAs场效应管，基于各种新材料的场效应管也在不断涌现。

随着场效应管尺度的缩小，器件加工很难保证均匀性，器件的加工精度及掺杂均匀性也成为制约。当器件尺度达到纳米尺寸时，器件中的掺杂原子数也将会降到几百甚至几十的程度。使得场效应管的电学稳定性变差。

发明内容

本发明目的是解决小尺寸场效应管因受加工精度和掺杂均匀性制约而影响场效应管的电学特性稳定性及提高载流子输运能力问题，提出一种新型的量子点/石墨烯光敏场效应管，并公开了这种场效应管的详细制备方法。

本发明公开的新型场效应管是一种基于量子点/石墨烯实现电子高迁移率的光敏场效应管，可以通过外界光的变化来改变器件的工作形式。在入射光作用下可以实现量子点的高载流子浓度以及通过石墨烯的高迁移率实现对载流子的传输，从而控制漏极的电流输出。

本发明提供的的量子点/石墨烯光敏场效应管整体结构由多层不同材质复合组成，从最底层往上依次为：

硅基衬底层，该层为N型或者P型高掺杂单晶硅层，厚度在3±0.5μm；

二氧化硅层，该层紧挨硅基衬底层上方，厚度为300±5nm；

石墨烯层，该层在二氧化硅层上方，为单层的石墨烯；

电极层，该层在石墨烯层上方，中间留有沟道，沟道两侧的电极层分别为用作场效应管的源极和漏极，从源极和漏极引出导电线用于测试和器件工作，电极层厚度为200±5nm，电极材质可以相同或者不同，材质相同时源极和漏极可以互换使用；

量子点层，该层也位于石墨烯层上方，并处于电极层中间的沟道位置。量子点层可以制备为单层量子点，也可以制备为多层量子点，因不同量子点的差异每层厚度在20±5nm。

 

本发明中涉及的量子点/石墨烯光敏场效应管是逐层制备的，基于该场效应管的特定结构，从衬底层到电极层需逐步进行制备，具体的制作过程如下：

第1、硅基衬底层和二氧化硅层的制备

所述的硅基衬底层和二氧化硅层的制备均采用现有成熟技术。

第2、石墨烯层的制备

所述的石墨烯层制备过程，本发明中采用湿法转移的方法，具体方法如下：

1）单层石墨烯是生长在超薄铜箔表面，在转移前用PMMA进行石墨烯的保护，采用低浓度的PMMA溶液（用乙酸乙酯对PMMA进行稀释，PMMA体积分数为5%），通过匀胶台高速旋转涂覆在铜箔表面，形成PMMA/石墨烯/铜箔层对石墨烯进行保护；