本发明专利技术公开了基于量子点掺杂栅绝缘层的光调制薄膜晶体管，其制备方法包括：在基底上依次沉积有源层与源漏极接触层；将量子点与有机光胶旋涂在有源层上，制备栅绝缘层；在栅绝缘层上刻蚀出连接接触层与源漏极的导通孔；最后在栅绝缘层上制备透明电极，并将该透明电极刻蚀做为平面的漏电极，栅电极和源电极。本发明专利技术的薄膜晶体管器件除了具备传统的源漏栅三个调制极外还可以通过入射光作为第四端调制极。本发明专利技术利用掺杂了量子点的薄膜晶体管栅绝缘层制备出兼具光电探测与信号读取功能的光调制薄膜晶体管，大大简化了光调制薄膜晶体管的结构与制备工艺，缩小了器件的尺度并提高了光电探测的性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种光调制薄膜晶体管器件中有源层/接触层，光感应栅绝缘层，平面的透明源、漏、栅电极的结构及其制备方法，该薄膜晶体管除了具备传统的源、漏、栅三个调制端电极外还具备对入射光的调制响应特性，因此将入射光作为第四个光调制终端。
技术介绍
目前，传统具备光调制功能的光电薄膜晶体管通常需要将分立的光电探测元件与电信号读取的薄膜晶体管合成在一起。这种结构一方面会造成器件的制备工艺非常复杂，成本昂贵。另一方面以光电二极管与光电金属氧化物半导体(Metal OxideSemiconductor，M0S)管为代表的传统光电探测元件尺寸巨大，光电转换效率也比较低下，甚至需要集成复杂的外围电路来匹配光电探测元件与信号读取的薄膜晶体管。正是由于这一系列难以解决的技术瓶颈，限制了光电薄膜晶体管阵列的分辨率，也使得市场化的产品普遍体积较大，重量较重难以适应未来在该领域平板化，透明化，柔性化的技术需求。因此，将只具备电信号读取功能的薄膜晶体管直接制备为兼具光电调制能力的光薄膜晶体管是解决这一难题的最佳选择。长期以来即使传统半导体材料具备包括低吸收率，窄探测波段等一系列缺陷，科学家们依旧利用巧妙的器件结构和制备工艺设计出了基于硅，氧化锌和碳材料的光调制的薄膜晶体管。特别是2012年剑桥大学与三星公司开发的掺杂铟镓元素的氧化锌(IGZO)光调制薄膜晶体管，具备一定的光电调制能力。但是因为氧化锌基材料无法克服的副作用-光阻塞效应，使得IGZO薄膜晶体管探测速度极慢(几十秒)。必须设计相应新的同步脉冲电路来提高探测速度从而失去了其与传统光调制薄膜晶体管相区别的优势。但是如今随着低维纳米材料的高速发展，为解决这些技术瓶颈提供了更好的技术方案。特别是零维纳米材料-量子点，其具备了波段方便可调，光吸收效率较强等一系列独特的光电特性。本专利技术提供了一种将量子点材料集成于微电子器件中的工艺方法，并实现了其与光调制薄膜晶体管器件制备工艺的高效兼容。
技术实现思路
专利技术目的:针对传统光电薄膜晶体管中的技术难点，本专利技术目的在于提出一种将具备独特光电特性的量子点材料掺杂入栅绝缘电介质中的光调制薄膜晶体管结构及其制备工艺。该光调制薄膜晶体管器件制备工艺简单，成本低廉，性能稳定，可拓展性好。该结构可以提供包括入射光在内的四端调制功能，并且能够具备宽波段探测，高效率光电转换，快光电探测速度等优势。技术方案:本专利技术通过如下技术方案予以实现:基于量子点掺杂栅绝缘层的新型高性能光调制薄膜晶体管，包括基底，有源层，源漏极接触层，栅绝缘层，源电极，漏电极和栅电极，所述源电极和漏电极分别通过导通孔与源漏极接触层接触;所述栅绝缘层为采用量子点掺杂绝缘材料的栅绝缘层。上述晶体管的制备方法包括:(I)在基底上首先沉积晶体管器件的有源层，其次在有源层表面制备器件的源漏极接触层，并在源漏极接触层上形成沟道，分成源极接触部分和漏极接触部分；(2)在已形成沟道的整个基底之上制备采用量子点掺杂绝缘材料的栅绝缘层；(3)在显微镜下，首先在栅绝缘层的表面光刻出导通孔图案，再刻蚀出栅绝缘层的导通孔，露出连接源电极和漏电极的开口部；(4)最后在栅绝缘层上沉积电极，并除去多余的电极，形成覆盖在器件接触层导通孔处的源电极与漏电极，以及覆盖在器件沟道位置的栅电极。上述的晶体管，其中量子点材料以及量子点粒径的尺寸选取会影响器件的光吸收效率与探测波段的范围，因此优选采用光吸收率较高，光响应波段较宽的粒径约为6nm的PbS量子点。然而不限于此，也可以选用其他粒径的PbS量子点和其他通用的砸化镉或碲化镉量子点，硫化铜或娃锗量子点。上述的晶体管，衬底材料可采用玻璃基底，还可以采用硅、蓝宝石、氮化镓、碳化硅、砷化镓等通用的半导体基底材料。上述的晶体管，有源层可采用本例中低压化学气相沉积法(Low PressureChemical Vapor Depos it 1n，LPCVD)制备多晶娃薄膜外也可以通过派射法、蒸镀法、激光辅助沉积法、原子层沉积法中的一种或者几种制备无定形硅、微晶硅、单晶硅、氧化锌、铟镓氧化锌等有源层。上述的晶体管，可以利用具备高导电率和短化学键的有机配位基材料包裹住无机的量子点并促使其分散于Su8或其它有机光胶(如PMMA)中形成光感应绝缘层。其中该量子点混合溶液的浓度在lmg/ml?3mg/ml.作为一种可选方案，在步骤(2)中，利用量子点掺杂栅绝缘层的方法，可以采用先沉积量子点材料再在量子点层上覆盖栅绝缘材料的制备工艺，该器件结构如图2.(a)所示。该制备工艺适用于所有通用的无机与有机栅绝缘电介质材料。特别针对二氧化硅(S12),氮化硅(Si3N4),氮化铝(AlN)等无法与量子点直接混合的无机固态绝缘材料，该方案可以实现量子点材料对其的掺杂。作为另一种优选方案，步骤(2)中，利用量子点掺杂栅绝缘层的方法，特别针对有机液态绝缘材料例如Su8，PMMA等，可以将其与量子点混合，再利用超声振荡器在室温下超声搅拌15分钟使得量子点材料均匀分散在有机光胶之中。最后通过旋涂，打印等工艺直接将该混合分散溶液喷涂在基板上，该器件结构如图2.(b)所示。与前一种方案相比，该优选方案的优势是能够形成稳定均匀的栅绝缘层。制备该光调制薄膜晶体管可以采用底栅极或顶栅极等不同的薄膜晶体管结构。与本例中的步骤次序不同的是，底栅极结构的光调制薄膜晶体管，需要先沉积栅电极，再在栅电极上制备量子点掺杂的栅绝缘层，最后再完成晶体管的源、漏、栅电极的制备。作为一种优选方案，在步骤(3)中，利用掩膜版上的对准标记与高精度光刻机在前述的栅绝缘层的表面，光刻出用以连接器件接触层与后述透明电极间的导通孔图案。随后利用RIE干刻蚀技术，使用氧等离子体刻蚀出栅绝缘层的导通孔，最后再完成晶体管源、漏、栅电极的制备。与前述晶体管结构的制备工艺相比，该优选方案的一个优势是可以避免沉积有源层或接触层时，所需要的高温高压的制备条件对量子点掺杂的光感应栅绝缘层中有机绝缘材料以及包裹量子点的有机配位基材料的破坏。其次如图4(c)所示，该方案利用AZO氧化物透明电极材料覆盖于器件沟道之上也起到了隔绝氧气、水等外界因素对敏感的光感应有机栅绝缘层的破坏，在一定程度上提高了器件的工作稳定性和寿命。本专利技术的晶体管结构中，源、漏、栅透明电极位于器件顶端的同一平面内，其中源(漏)极通过栅绝缘层中的导通孔通道直接与接触层导通。在光照的条件下源漏电极间会产生额外响应的光电流，而同时通过改变栅电压并进而改变光感应栅绝缘层中的内嵌电场分布，调制器件的光电响应增益并最终输出该光电信号。因此该结构可以在单个光电薄膜晶体管内实现光信号的探测与电信号的读取。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果:本专利技术采用量子点掺杂的栅绝缘层作为薄膜晶体管的感光层，相比需要将分立的光电探测元件与电信号读取的薄膜晶体管合成在一起的传统光电薄膜晶体管，本专利技术利用掺杂了量子点的薄膜晶体管栅绝缘层制备出兼具光电探测与信号读取功能的光调制薄膜晶体管，大大简化了光调制薄膜晶体管的结构与制备工艺，缩小了器件的尺度并提高了光电探测的性能。这种光调制薄膜晶体管可以提供具备宽波段探测(0.65μπι?1.4μπι)，在红外光波段同时具备高光响应度(>12.5A/W)，超快光电探测速度(本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于量子点掺杂栅绝缘层的新型高性能光调制薄膜晶体管，其特征在于，包括基底（1），有源层（2），源漏极接触层（3），栅绝缘层（4），源电极（7），漏电极（9）和栅电极（8），所述源电极（7）和漏电极（9）分别通过导通孔（5,6）与源漏极接触层（3）接触；所述栅绝缘层（4）为采用量子点掺杂绝缘材料的栅绝缘层（4）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘向，陶治，陈静，雷威，伊曼纽尔·杰克，塔耶·默罕默德，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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