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基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管制造技术

技术编号:15941031 阅读:107 留言:0更新日期:2017-08-04 22:48
本实用新型专利技术属于光敏场效应管技术领域,公开了一种基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管,由下到上依次包括作为衬底层的栅极‑高掺杂单晶硅层、作为绝缘层的氧化硅层、作为源极层的单层石墨烯;单层石墨烯上一侧是作为源极传输层的源极金接触层,另一侧是作为垂直导电沟道的量子点层;量子点层上是作为漏极层的金电极。本实用新型专利技术既综合了PbS/PbSe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,具有的优越的电特性和光可调谐性,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。

Quantum dots vertical channel field-effect transistors based on graphene electrodes

The utility model belongs to the technical field of photosensitive field-effect transistor, discloses a quantum dot graphene electrode based on vertical channel field effect tube, from bottom to top as the gate including high doped monocrystalline silicon layer and the substrate layer as a silicon oxide layer, an insulating layer of graphene as a source layer; single side graphene is the transport layer as the source of the source of gold contact layer, the other side is the quantum dots as vertical conductive channel layer; quantum dot layer is used as the gold electrode drain layer. The optical properties, the utility model has the advantages of integrated PbS/PbSe quantum dot unique tunable high luminous efficiency, and has the advantages of graphene conductive materials at room temperature the fastest, strongest conductivity and high specific surface area, excellent electrical characteristics and has optical tunability, has good application prospect in flexibility photoelectric materials, solar cell, sensor detection etc..

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管
本技术属于半导体材料及光电器件
,涉及一种光敏场效应管,具体的说,是涉及一种垂直沟道型光敏场效应管。
技术介绍
场效应管发展至今,其基本的器件构成和工作原理类似,均包含三个电极,即源极、漏极、栅极。传统的场效应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。垂直沟道型场效应管同时具备了普通场效应管的优点和垂直沟道的很多独特的性质,从其结构组成来看,垂直沟道型场效应管的漏极、半导体层和源极垂直分布。在传统硅基器件日益趋近物理极限的背景下,量子点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。但随着场效应管尺度的缩小,器件加工的均匀性问题变得越来越严重,器件的加工精度及掺杂均匀性也成为制约,使得场效应管的电学特性和稳定性变差。而垂直沟道型场效应管可以克服传统场效应管的性能限制,可以实现异质结尺寸减小从而使得整个场效应管尺寸缩小,进而实现小操作电压下得到大的传输电流,并提高光敏场效应管的光效应灵敏度。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种碳质新材料,具有良好的电学、光学和机械性能。单层石墨烯透明度高,导电性好,厚度仅为0.3~0.4nm,是优良的电极材料。目前,国际上以石墨烯为透明电极制备的垂直沟道场效应管主要采用有机材料作为半导体层。由于有机材料在空气中的稳定性较差,载流子迁移率也较低,由其作为半导体层制成的垂直沟道场效应管性能较差。而以性能较好的光敏量子点作为半导体沟道层的石墨烯电极垂直沟道场效应管还未有报道。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题在于目前横向场效应管随着尺度的缩小,器件加工的均匀性、加工精度及掺杂均匀性成为制约,使得电学特性、稳定性变差等缺陷;以及现有采用有机材料作为半导体沟道材料制成的石墨烯电极垂直沟道场效应管性能较差的缺陷,提供一种基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管,采用量子点作为半导体层、单层石墨烯作为透明电极,既综合了PbS/PbSe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,具有的优越的电特性和光可调谐性,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。为了解决上述技术问题,本技术通过以下的技术方案予以实现:一种量子点垂直沟道型光敏场效应管,包括作为衬底层的栅极-高掺杂单晶硅层,所述栅极-高掺杂单晶硅层上设置有二氧化硅层作为绝缘层,所述二氧化硅层上设置有单层石墨烯作为源极层;所述单层石墨烯上一侧设置有源极金接触层作为源极传输层,另一侧设置有量子点层作为垂直导电沟道;所述量子点层上设置有金电极作为漏极层;所述源极金接触层和所述金电极之间连接导线。优选地,所述栅极-高掺杂单晶硅层的厚度为3μm。优选地,所述二氧化硅层的厚度为300nm。优选地,所述量子点层为PbS量子点层或PbSe量子点层。优选地,所述量子点层的单层厚度为20-22nm,层数为3-20。优选地,所述源极金接触层和所述金电极的厚度均为200nm。本技术的有益效果是:本技术的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管,利用PbS/PbSe量子点独特的可调谐的光学特性和石墨烯材料室温导电速度快、导热能力强、比表面积大等优点,具有的优越的电特性和光可调谐性,对红外波段的入射光具有较高的响应度;其工艺简单,成本低,性能好,具有广泛的应用前景。附图说明图1是本技术所提供的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的纵切面结构示意图;图2是本技术所提供的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的平面结构示意图;图3是本技术所提供的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的制备方法流程图。图中:1.衬底层,2.二氧化硅层,3.单层石墨烯,4.源极金接触层,5.量子点层,6.金电极。具体实施方式下面通过具体的实施例对本技术作进一步的详细描述,以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本技术,但不以任何方式限制本技术。本实施例公开的新型场效应管是一种基于石墨烯电极和PbS/PbSe量子点垂直沟道,可实现载流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性能。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电极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。器件对近红外光具有较高的响应度和非常快的响应速度。如图1和图2所示,本实施例涉及到的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:衬底层1,该层为栅极-高掺杂单晶硅层,厚度在3μm;二氧化硅层2,该层在衬底层1上方紧挨衬底层1,厚度为300nm,作为绝缘层;单层石墨烯3,该层在二氧化硅层2上方紧挨二氧化硅层2,是场效应管的源极,由湿法转移获得;源极金接触层4,该层在单层石墨烯3一侧的上方且紧挨单层石墨烯3,是场效应管的源极传输层,运用金作为电极材质,通过真空蒸镀方法获得,厚度为200nm;量子点层5,为PbS量子点层或PbSe量子点层,该层在单层石墨烯3另一侧的上方且紧挨单层石墨烯3,其厚度与旋涂量子点溶液的层数相关,一般单层厚度为20-22nm,层数为3-20。金电极6作为漏极层是最上一层,运用金作为电极材质,通过真空蒸镀方法获得,厚度为200nm;可以从源极和漏极引出导电线用于测试和器件工作。本实施例中涉及的基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管是逐层制备的,基于该场效应管的特定结构,从衬底层到漏极层需逐步进行制备。下面公开基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管的制备过程,如图3所示:(一)衬底层1和二氧化硅层2的制备均采用现有成熟技术,利用MOCVD的方法制备硅基衬底层1,衬底层1为栅极-高掺杂单晶硅,厚度为3μm,上层氧化的的二氧化硅层2厚度为300nm。(二)在二氧化硅层2上转移单层石墨烯3作为源极层,具体方法如下:1)对生长在超薄铜箔表面的单层石墨烯进行PMMA薄膜保护,将PMMA粉末溶解于乙酸乙酯溶液中,PMMA体积分数为5%。通过匀胶台高速旋转涂覆在铜箔表面,“石墨烯/铜箔”通过负压吸附在台面上,匀胶台设定转速为固定的3000转每分钟,PMMA溶液逐滴滴在“石墨烯/铜箔”的表面,最终形成均匀的表面PMMA膜;2)将PMMA/石墨烯/铜箔置于稀释后的铜箔腐蚀液中,铜箔腐蚀液进行稀释,稀释比例为腐蚀液:去离子水=30:1,并倒于表面皿中,将器件浸入腐蚀液中,进行计时腐蚀50分钟,腐蚀完后的铜箔完全溶解在溶液中,PMMA/石墨烯会降落在二氧化硅/硅基的表面,形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基;3)对PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基用去离子水进行三次冲洗,去除铜箔腐蚀液残留;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保护层,并等待丙酮挥发完全,形成石墨烯/二氧化硅/硅基结构;5)对石墨烯/二氧化硅/硅基结构用去离子水清洗三次,去除丙酮残留;6)对步骤5)处理过的器件进行12本文档来自技高网
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基于石墨烯电极的量子点垂直沟道场效应管

【技术保护点】
一种量子点垂直沟道型光敏场效应管,包括作为衬底层的栅极‑高掺杂单晶硅层,所述栅极‑高掺杂单晶硅层上设置有二氧化硅层作为绝缘层,其特征在于,所述二氧化硅层上设置有单层石墨烯作为源极层;所述单层石墨烯上一侧设置有源极金接触层作为源极传输层,另一侧设置有量子点层作为垂直导电沟道;所述量子点层上设置有金电极作为漏极层;所述源极金接触层和所述金电极之间连接导线。

【技术特征摘要】
1.一种量子点垂直沟道型光敏场效应管,包括作为衬底层的栅极-高掺杂单晶硅层,所述栅极-高掺杂单晶硅层上设置有二氧化硅层作为绝缘层,其特征在于,所述二氧化硅层上设置有单层石墨烯作为源极层;所述单层石墨烯上一侧设置有源极金接触层作为源极传输层,另一侧设置有量子点层作为垂直导电沟道;所述量子点层上设置有金电极作为漏极层;所述源极金接触层和所述金电极之间连接导线。2.根据权利要求1所述的一种量子点垂直沟道型光敏场效应管,其特征在于,所述栅极-高掺杂单晶硅层的厚度为3μm。...

【专利技术属性】
技术研发人员:张雅婷车永莉宋效先张海婷曹明轩
申请(专利权)人:天津大学
类型:新型
国别省市:天津,12

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