一種量子點與石墨烯的光敏場效應管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種量子點與石墨烯的光敏場效應管及其制備方法，涉及光敏場效應管領域；其中，所述光敏場效應管包括：襯底層上設置有二氧化硅層，二氧化硅層上設置有石墨烯層，石墨烯層為單層；石墨烯層上設置有電極層，電極層作為整個場效應管的源極和漏極；在電極層的中間溝道位置設置有量子點層，電極層的源極和漏極連接導電線。所述方法包括以下步驟：對襯底層和二氧化硅層的制備；采用濕法轉移對石墨烯層的制備；對電極層的制備；以及對量子點層的制備。本發(fā)明可靠性和穩(wěn)定性高而且成本較低；制備的場效應管對紅外波段的入射光具有較高的響應度。
【專利說明】一種量子點與石墨烯的光敏場效應管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光敏場效應管領域，尤其涉及一種量子點與石墨烯的光敏場效應管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]場效應管發(fā)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、漏極和柵極。傳統(tǒng)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(shù)目實現(xiàn)其功能的。制作方法較為成熟，器件成型也較為穩(wěn)定。場效應晶體管同時具備了普通晶體管和電子管的優(yōu)點，并且自身還有很多獨特的性質。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(shù)低，并且具有很強的防輻射能力。
[0003]但是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。當器件尺度達到納米尺寸時，器件中的摻雜原子數(shù)也將會降到幾百甚至幾十的程度。使得場效應管的電學特性穩(wěn)定性變差。
[0004]在傳統(tǒng)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(shù)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(fā)生了很大的變化。其能級分布類似于原子能級分布，是離散化的。當量子點的尺寸越小，相鄰量子點之間的相對距離就會增大，載流子的遷移率也會隨之降低，不能高效率傳輸。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，是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。因此這一特性正彌補了量子點材料的缺陷。
[0005]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(fā)光效率較高，又兼?zhèn)涫┎牧鲜覝貙щ娝俣茸羁?、導熱能力最強、表面積與體積比大等優(yōu)點，具有優(yōu)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。
[0006]墨烯材料與量子點材料的共同優(yōu)勢，可實現(xiàn)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(xiàn)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(wěn)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(chǎn)業(yè)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(jīng)調查和研究了多種不同的材料系統(tǒng)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(xiàn)。
【發(fā)明內容】
[0007]本發(fā)明提供了一種量子點與石墨烯的光敏場效應管及其制備方法，本發(fā)明在入射光作用下可以實現(xiàn)量子點的高載流子濃度，以及通過石墨烯的高遷移率實現(xiàn)對載流子的傳輸，從而控制漏極的電流輸出，詳見下文描述:
[0008]一種量子點與石墨烯的光敏場效應管，包括:襯底層，所述襯底層上設置有二氧化娃層，
[0009]所述二氧化硅層上設置有石墨烯層，所述石墨烯層為單層；所述石墨烯層上設置有電極層，所述電極層作為整個場效應管的源極和漏極；在所述電極層的中間溝道位置設置有量子點層，所述電極層的源極和漏極連接導電線。
[0010]進一步地，所述襯底層為高摻雜單晶硅層，厚度在3 μ m。所述二氧化硅層的厚度為300nm。所述電極層的厚度為200nm。
[0011]一種量子點與石墨烯的光敏場效應管的制備方法，所述方法包括以下步驟:
[0012]對襯底層和二氧化硅層的制備；采用濕法轉移對石墨烯層的制備；
[0013]對電極層的制備；以及對量子點層的制備。
[0014]其中，所述濕法轉移具體為:
[0015]I)采用低濃度的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，通過勻膠臺旋轉涂覆在銅箔表面，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/銅箔層對石墨烯進行保護；
[0016]2)將聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/銅箔置于稀釋后的銅箔腐蝕液中，腐蝕液的容器底部放置二氧化硅/硅基，開始腐蝕銅箔，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/ 二氧化硅/娃基;
[0017]3)對聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/ 二氧化硅/硅基用去離子水進行三次沖洗，去除銅箔腐蝕液殘留；
[0018]4)在聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/ 二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面聚甲基丙烯酸甲酯保護層，并等待丙酮揮發(fā)完全；
[0019]5)對步驟4)處理過的器件用去離子水清洗三次，去除丙酮殘留；
[0020]6)對步驟5)處理過的器件進行焙燒，去除殘留的去離子水。
[0021]本發(fā)明提供的技術方案的有益效果是:本發(fā)明中襯底的制備采用現(xiàn)有技術比較成熟的方法，可靠性和穩(wěn)定性高而且成本較低。通過先蒸鍍電極后涂覆量子點層的方法巧妙的將量子點層涂覆在電極的中間溝道區(qū)域，并附著在石墨烯的上方，形成量子點和石墨烯材料的物理復合。該場效應管對紅外波段的入射光具有較高的響應度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為場效應管的正視圖；
[0023]圖2為場效應管的俯視圖；
[0024]圖3為制備方法的流程圖；
[0025]圖4為本發(fā)明實施例獲取到的量子點和石墨烯光敏場效應管的示意圖。
[0026]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0027]1:襯底層；2: 二氧化硅層；
[0028]3:石墨烯層； 4:電極層；
[0029]5:量子點層。
【具體實施方式】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0031]實施例1
[0032]一種量子點與石墨烯的光敏場效應管，光敏場效應管整體結構由多層不同材質復合組成，參見圖1和圖2，包括:襯底層1，襯底層I上設置有二氧化硅層2，二氧化硅層2上設置有石墨烯層3，石墨烯層3為單層；石墨烯層3上設置有電極層4，電極層4作為整個場效應管的源極和漏極；在電極層4的中間溝道位置設置有量子點層5，電極層4的源極和漏極連接導電線，用于測試器件。
[0033]其中，襯底層I具體為高摻雜單晶硅層，厚度在3 μ m。二氧化硅層2為厚度為300nm的二氧化硅。
[0034]電極層4，該層在石墨烯層3上方，是場效應管的源極和漏極，通過蒸鍍方法獲得，厚度為200nm，源極和漏極的材質相同，結構一樣，兩電極可以互換使用，無需強調哪個是源極，哪個是漏極。
[0035]實施例2
[0036]本發(fā)明提供的一種量子點與石墨烯的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，參見圖3，下面介紹該量子點和石墨烯光敏場效應管的制作過程:
[0037]101:對襯底層I和二氧化硅層2的制備；
[0038]該制備步驟采用本領域中的現(xiàn)有成熟技術即可，例如:金屬有機化合物化學氣相淀積(Metal_organicChemicalVaporDePosit1n,MOCVD)制備方法，襯底層 I 為高摻雜單晶硅，厚度為3 μ m，上層氧化的二氧化硅層2的厚度為300nm。
[0039]該步驟中的制備方法為本領域技術人員所公知，本發(fā)明實施例對此不做贅述。
[0040]102:采用濕法轉移對石墨烯層3的制備；
[0041]I)采用低濃度的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液，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；
[0042]2)將I)中的PMMA/石墨烯/銅箔層置于稀釋后的銅箔腐蝕液中，腐蝕液的容器底部放置二氧化硅/硅基，開始腐蝕銅箔，形成PMMA/石墨烯/ 二氧化硅/硅基；
[0043]3)對PMMA/石墨烯/ 二氧化硅/硅基用去離子水進行三次沖洗，去除銅箔腐蝕液殘留；
[0044]4)在PMMA/石墨烯/ 二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面PMMA保護層，并等待丙酮揮發(fā)完全；
[0045]5)對步驟4)處理過的器件用去離子水清洗三次，去除丙酮殘留；
[0046]6)對步驟5)處理過的器件進行120°C下15分鐘焙燒，去除可能殘留的去離子水，石墨烯就會干燥的附著在襯底上面。
[0047]103:對電極層4的制備；
[0048]在實際應用中電極可以設計為多種樣式，本發(fā)明實施例中電極設計為“工”字型，采用多源有機氣相沉積的方法制備而成。對于場效應管來講，源極和漏極可以為相同或者不同的金屬制備，兩個電極可以互相轉換。蒸鍍腔初步抽低真空，當真空度達到102Pa，系統(tǒng)自動進行分子泵抽真空，直到真空度值為3X10_4Pa。待環(huán)境壓強達到所需值后，逐步增加鎢舟電流，3分鐘調節(jié)一次，每次增加5?6A，同時觀察材料狀態(tài)變化。當電流至125A時，金屬達到沸騰狀態(tài)以后，觀察石英晶體監(jiān)測儀示數(shù)變化；當示數(shù)變化達到每秒1Hz時，迅速打開遮擋板，根據(jù)制膜厚度的要求，關閉擋板。此時完成蒸鍍過程，電極厚度在200nm。
[0049]本發(fā)明實施例是以電極厚度在200nm為例進行說明，因此對應的調節(jié)時間為3分鐘，每次增加5?6A。具體實現(xiàn)時還可以為其他的調節(jié)時間、安培數(shù)，本發(fā)明實施例對不做限制。
[0050]104:對量子點層5的制備。
[0051]該層采用層層覆蓋的方法進行制備，可以方便的控制層數(shù)及該層的厚度。首先設定勻膠臺轉速為2000rpm ;當轉速穩(wěn)定后，取一滴量子點溶液滴于旋轉的器件上面，等待10秒到器件干燥，再依次滴三滴稀釋后的乙二硫醇溶液、兩滴乙腈溶液、兩滴甲苯溶液。每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后進行下一滴。
[0052]以上為單層量子點層5的制備過程，可以通過重復多次滴加的方法，來控制量子點層5的層數(shù)及厚度，可以得到性能不一的場效應管；并且等待的時間根據(jù)實際應用中的需要確定，本發(fā)明實施例以10秒為例進行說明。
[0053]實施例3
[0054]本實施例中對石墨烯層3、電極層4和量子點層5的制備進行詳細的說明，詳見下文描述:
[0055]一、對石墨烯層3的制備；
[0056]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粉末溶解于乙酸乙酯溶液中，PMMA體積分數(shù)為5%。通過勻膠臺高速旋轉涂覆在銅箔表面，“石墨烯/銅箔”通過負壓吸附在臺面上，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；
[0057]2、銅腐蝕液進行稀釋，稀釋比例為腐蝕液:去離子水=30:1并倒于表面皿中，將浸入腐蝕液中，計時腐蝕50分鐘，腐蝕完后的銅箔完全溶解在溶液中，PMMA/石墨烯會降落在二氧化硅/硅基的表面,形成PMMA/石墨烯/ 二氧化硅/硅基；
[0058]3、對步驟2中的PMMA/石墨烯/ 二氧化硅/硅基，用去離子水進行沖洗三次，去除腐蝕液殘留；
[0059]4、在PMMA/石墨烯/ 二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面PMMA保護層，并等待一段時間至丙酮揮發(fā)完全，形成石墨烯/ 二氧化硅/硅基結構；
[0060]5、對石墨烯/ 二氧化硅/硅基結構用去離子水清洗三次，去除丙酮殘留；
[0061]6、對石墨烯/ 二氧化硅/硅基結構在120°C下進行焙燒15分鐘，去除可能殘留的去離子水，至此石墨烯會干燥的附著在襯底上面。
[0062]二、對電極層4的制備；
[0063]本實施例中，蒸鍍電極使用的金屬均為高純鋁，純度為99.995%，蒸鍍的電極厚度是200nm，具體操作過程如下:
[0064]1、取出多源有機氣相沉積系統(tǒng)制作的模具，將待蒸鍍電極的器件放入其中，模具可以根據(jù)需要進行選擇性打開，以接受氣態(tài)金屬的附著。
[0065]2、五根高純鋁條(99.995% )至于多源有機氣相沉積系統(tǒng)的鎢舟內，質量分別為
0.0327g、0.0308g、0.0269g、0.0344g 和 0.0271g。
[0066]3、模板和金屬鋁放好以后，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(tǒng)自動進行分子泵抽真空，真空度值為3X10_4Pa。
[0067]4、通過石英晶體膜厚監(jiān)測儀板，打開石英晶體膜厚監(jiān)測儀進行檢測。同時打開控制放置高純鋁條鎢舟的電流面板，調節(jié)電流值，剛開始時，通過電流面板調節(jié)電流大小，同時觀察材料狀態(tài)變化，當電流達到120A時，鋁開始熔化，熔化過程持續(xù)約5分鐘。
[0068]5、繼續(xù)增加電流至125A時，鋁開始沸騰。當金屬鋁達到沸騰狀態(tài)以后，石英晶體監(jiān)測儀示數(shù)變化量增加，當示數(shù)變化率達到每秒1Hz時，迅速打開擋板，根據(jù)制膜厚度的要求，控制監(jiān)測儀的示數(shù)變化值達到2000Hz要求，迅速關閉擋板。繼續(xù)觀察監(jiān)測儀的示數(shù)變化，當示數(shù)變化達到O?IHz時，逐步減小電流，直到為零。
[0069]6、當電流示數(shù)為零時，停止抽真空，直到分子泵停止工作。繼續(xù)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。
[0070]三、對量子點層5的制備。
[0071]該層采用高速旋轉逐滴加入，層層覆蓋的方法進行制備:
[0072]1、首先配置體積分數(shù)為2%的乙二硫醇溶液，選取溶劑為乙腈。其次，將制備的量子點材料溶解在甲苯溶液中，配置成30mg/mL的量子點溶液；
[0073]2、設定勻膠臺轉速2000rpm，旋轉時間60秒；
[0074]3、一次性習慣吸取PbSe量子點溶液滴一滴于高速旋轉的器件表面，等待10秒到器件干燥；
[0075]4、滴一滴體積分數(shù)為2%的乙二硫醇溶液于器件表面，等待10秒干燥，重復該步驟滴入三滴乙二硫醇溶液；
[0076]5、依次滴加兩滴乙腈溶液，第二次滴加要等待10秒待第一次滴加溶液干燥；
[0077]6、滴兩滴甲苯溶液，每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后進行下一滴。
[0078]以上為單層量子點的制備過程，可以通過重復多次滴加的方法，來控制量子點層5的層數(shù)及厚度，可以得到性能不一的場效應管。
[0079]本實施例中進行的是兩層量子點設計，厚度在60nm±2nm。本實施例中最終成型的量子點和石墨烯光敏場效應管如圖4所示。
[0080]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0081 ] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種量子點與石墨烯的光敏場效應管，包括:襯底層，其特征在于，所述襯底層上設置有二氧化硅層， 所述二氧化硅層上設置有石墨烯層，所述石墨烯層為單層；所述石墨烯層上設置有電極層，所述電極層作為整個場效應管的源極和漏極；在所述電極層的中間溝道位置設置有量子點層，所述電極層的源極和漏極連接導電線。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種量子點與石墨烯的光敏場效應管，其特征在于，所述襯底層為高摻雜單晶硅層，厚度在3 μ m。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種量子點與石墨烯的光敏場效應管，其特征在于，所述二氧化娃層的厚度為300nm。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種量子點與石墨烯的光敏場效應管，其特征在于，所述電極層的厚度為200nm。
5.一種用于權利要求1-4中任一權利要求所述的一種量子點與石墨烯的光敏場效應管的制備方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 對襯底層和二氧化硅層的制備；采用濕法轉移對石墨烯層的制備； 對電極層的制備；以及對量子點層的制備。
6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述濕法轉移具體為: 1)采用低濃度的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，通過勻膠臺旋轉涂覆在銅箔表面，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/銅箔層對石墨烯進行保護； 2)將聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/銅箔置于稀釋后的銅箔腐蝕液中，腐蝕液的容器底部放置二氧化硅/硅基，開始腐蝕銅箔，形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/ 二氧化硅/硅基; 3)對聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基用去離子水進行三次沖洗，去除銅箔腐蝕液殘留； 4)在聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯/二氧化硅/硅基表面滴加丙酮溶液，溶解掉表面聚甲基丙烯酸甲酯保護層，并等待丙酮揮發(fā)完全； 5)對步驟4)處理過的器件用去離子水清洗三次，去除丙酮殘留； 6)對步驟5)處理過的器件進行焙燒，去除殘留的去離子水。
【文檔編號】H01L31/0264GK104362212SQ201410603802
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】張雅婷, 宋效先, 王海艷, 金露凡 申請人:天津大學