当前位置: 首页 > 专利查询>南京大学专利>正文

一种石墨烯/C60复合薄膜紫外探测器及制备方法技术

技术编号:19217888 阅读:59 留言:0更新日期:2018-10-20 07:29
一种基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,所述晶体管由下而上依次包括栅极金属层、高掺杂硅栅、栅极介质层、石墨烯与C60复合吸收层;所述的高掺杂硅栅和栅极介质层同时支撑石墨烯/C60复合吸收层薄膜,作为整个晶体管器件的衬底;所述的石墨烯/C60复合吸收层由单层或若干层石墨烯和一定厚度的C60组成;石墨烯位于C60的下端,同时作为C60生长的模板;其中,石墨烯和栅极介质层接触,在石墨烯层的两端制作有源极、漏极;石墨烯和C60通过范德华力相互作用,形成具有紫外吸收特性的异质结晶体管。可将所述的多个紫外光探测晶体管进行阵列集成。本发明专利技术提供了该阵列系统用于光谱检测分析和图像识别的具体方案。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/C60复合薄膜紫外探测器及制备方法
本专利技术涉及一种基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管(阵列)及制备方法,属于紫外光探测领域。
技术介绍
基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测器的原理是材料吸收紫外波段的光子,将光信号转换成可通过外电路检测的电信号,从而达到探测紫外波段光信号的目标。随着现代科学技术的发展,具有高灵敏度、高信噪比的光探测器成为人们追逐的焦点。石墨烯是一种sp2杂化的碳原子按苯环形式排列的单原子层薄膜,它具有传统材料无法比拟的优点。比如说,石墨的烯室温电子迁移率可达60000cm2V-1s-1。同时,由于线性能带色散关系,石墨烯在紫外到红外波段都具有光吸收,特别是在石墨烯能带的马鞍点,其具有极高的紫外吸光性能,使得石墨烯具有天然的紫外探测优势。然而,由于石墨烯很薄,只有一个碳原子层厚度,整体吸光度偏低导致石墨烯基器件的本征光响应很低。将等离子体激元、微腔等结构整合到石墨烯表面,可在一定程度上提高其吸光率。2012年Mueller课题组(FurchiM,etal.Microcavity-integratedgraphenephotodetector[J].Nanoletters,2012,12(6):2773-2777.)的研究表明,结合了微腔结构的石墨烯光吸收可以增加20倍以上,器件的光响应度可以增加到21mA/W;将石墨烯和吸光率高的材料制作成异质结,结合石墨烯高载流子迁移率和材料高吸光率的性能,也可得到响应度高的器件,如2012年FrankH.L.Koppens课题组制备出一种石墨烯-PbS量子点异质结器件(KonstantatosG,etal.Hybridgraphene-quantumdotphototransistorswithultrahighgain[J].Naturenanotechnology,2012,7(6):363.)。得益于PbS量子点的高光吸收特性,器件的响应度可达107A/W量级。但是,PbS量子点的光谱吸收范围有限,器件不能在紫外波段实现有效的光探测。探测器的光谱探测范围和吸光层的光谱吸收范围密切相关,III-V半导体由于具有宽带隙(>2.2eV)的特点,可吸收紫外波段的光,因此可制作石墨烯和III-V半导体的复合结构器件,实现紫外光探测。2014年Zhi-MinLiao组制备出基于石墨烯-GaN复合吸收层的探测器件(LinF,etal.Graphene/GaNdiodesforultravioletandvisiblephotodetectors[J].AppliedPhysicsLetters,2014,105(7):073103.),可在紫外波段(325nm)实现毫秒级的光响应;也有报道利用光敏的有机物作为光吸收层,如2016年XinranWang组在石墨烯上表面外延生长了一定厚度的有机物(C8-BTBT)(LiuX,etal.EpitaxialUltrathinOrganicCrystalsonGrapheneforHigh-EfficiencyPhototransistors[J].AdvancedMaterials,2016,28(26):5200-5205.),该有机物在紫外波段(355nm)有显著的光吸收,器件的光响应度可达104A/W。但是上述器件仍面临响应度或响应速度的竞争问题,很难同时实现高响应度和响应速度,且多数有机功能材料在紫外光照射下存在老化加速等问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题,本专利技术的目的在于,提供一种紫外光探测晶体管,其光吸收层为石墨烯/C60复合薄膜,该晶体管器件不仅能够在紫外光领域实现较强的光吸收,而且通过利用石墨烯作为C60的生长模板,可以实现大面积高均匀度的自组装耦合,为器件的阵列化提供了材料基础。同时所述紫外光探测晶体管(阵列)具有较高的响应速度,可用于光谱检测、图形识别和图像传感等领域。为达到上述目的,本专利技术技术方案是,一种基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管(阵列)。该晶体管(单个紫外光探测晶体管)由下而上依次包括栅极金属层、高掺杂硅栅、栅极介质层、石墨烯/(与)C60复合吸收层;所述的高掺杂硅栅和栅极介质层同时支撑石墨烯/C60复合吸收层薄膜,作为整个晶体管器件的衬底。所述的石墨烯/C60复合吸收层由单层或若干层石墨烯和一定厚度的C60(2-300nm)组成。其中,石墨烯和栅极介质层接触,栅极介质层的两端制作有源极、漏极;进一步,所述石墨烯/C60复合吸收层中的石墨烯为化学气相沉积法或者机械剥离法制备的单层或者几层石墨烯,优选地,石墨烯层数少于5层。在上述紫外光探测晶体管中,C60由于其较强的光吸收特性作为主要的光吸收层,石墨烯则由于其高迁移率特性作为载流子的传输通道;通常石墨烯位于C60的下端,同时作为C60生长的模板;在石墨烯层的两端分别制作源极和漏极,从而形成导电沟道。石墨烯和C60通过范德华力相互作用,形成具有紫外吸收特性的异质结晶体管。进一步,所述石墨烯/C60复合吸收层中的C60通过有机热蒸镀、化学气相沉积、旋涂等方法制备,通过范德华力作用沉积在石墨烯上表面。所述石墨烯/C60复合吸收层中的C60厚度为2-300nm。进一步,其中,所述源极与所述漏极分别制作在石墨烯层的两端,从而实现石墨烯作为导电沟道的目标。进一步,所述源极与所述漏极分别包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少上下两层两种金属的组合。其中下层金属作为粘附层,同时实现与石墨烯功函数匹配;优选地,所述源极与所述漏极的最下层金属不同;更优选地,所述源极和所述漏极的厚度分别为5-100nm,单层金属层的厚度至少为2nm。进一步,其中栅极介质层与石墨烯接触,栅极金属制作在所述高掺杂硅栅表面,从而方便与外电路的连接并实现场调控。进一步,所述栅极金属层包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少一层金属;优选地,所述栅极金属层的总厚度为5-100nm,单层金属层的厚度至少为2nm。所述的紫外光探测晶体管,其中,所述高掺杂硅栅的材料为高掺杂N或P型硅材料,其电阻值为0.01-0.05Ω·cm-1。所述栅极介电层的材料通常为二氧化硅;优选地,可使用介电常数更高的氧化铝、氧化镓、氮化硅中的一种或几种组合。所述栅极介电层的材料可通过热氧化、原子层沉积、气相外延生长等方法制备。可规模化制备组成阵列分布。所述的紫外光探测晶体管(阵列),在光谱检测、图形识别和图像传感等领域的应用。本专利技术提供的上述基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,栅极介质层可以通过热氧化法形成在高掺杂硅的上表面;栅极金属层可以通过电子束蒸发法沉积在高掺杂硅栅的下表面;石墨烯可以是化学气相沉积方法制备并以PMMA为辅助介质湿法转移到栅极介质层的表面,也可是通过机械剥离法直接转移到栅极介质层表面;在石墨烯的表面可以通过光刻、等离子体刻蚀制备出石墨烯沟道;源极和漏极可以通过光刻法、电子束蒸发和lift-off工艺制备;C60可通过有机热蒸镀、化学气相沉积、旋涂等方法沉积在石墨烯表面。根据本专利技术的具体实施方案,单个石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管可作为单元器件,构筑成由多个器件组成的阵列。根据本专利技术的具体实施方案,所述的本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,其特征是,该晶体管由下而上依次包括栅极金属层、高掺杂硅栅、栅极介质层、石墨烯与C60复合吸收层;所述的高掺杂硅栅和栅极介质层同时支撑石墨烯/C60复合吸收层薄膜,作为整个晶体管器件的衬底;所述的石墨烯/C60复合吸收层由单层或若干层石墨烯和一定厚度的C60(2‑300nm)组成;石墨烯位于C60的下端,同时作为C60生长的模板;其中,石墨烯和栅极介质层接触,在石墨烯层的两端制作有源极、漏极;石墨烯和C60通过范德华力相互作用,形成具有紫外吸收特性的异质结晶体管。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,其特征是,该晶体管由下而上依次包括栅极金属层、高掺杂硅栅、栅极介质层、石墨烯与C60复合吸收层;所述的高掺杂硅栅和栅极介质层同时支撑石墨烯/C60复合吸收层薄膜,作为整个晶体管器件的衬底;所述的石墨烯/C60复合吸收层由单层或若干层石墨烯和一定厚度的C60(2-300nm)组成;石墨烯位于C60的下端,同时作为C60生长的模板;其中,石墨烯和栅极介质层接触,在石墨烯层的两端制作有源极、漏极;石墨烯和C60通过范德华力相互作用,形成具有紫外吸收特性的异质结晶体管。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,其特征是,所述石墨烯/C60复合吸收层中的石墨烯为化学气相沉积法或者机械剥离法制备的单层或者几层石墨烯,石墨烯层数1-5层。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,其特征是,所述石墨烯/C60复合吸收层中的C60通过有机热蒸镀、化学气相沉积、旋涂方法制备,通过范德华力作用沉积在石墨烯上表面;所述石墨烯与C60复合吸收层中的C60厚度为2-300nm。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯/C60复合吸收层的紫外光探测晶体管,其特征是,所述源极与所述漏极分别包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少上下两层两种金属的组合;所述源极与所述漏极的最下层金属不同。...

【专利技术属性】
技术研发人员:王枫秋江洪柱秦书超徐永兵张荣
申请(专利权)人:南京大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1