基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管制造技术

本发明专利技术提供了一种基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管。该晶体管包括自下而上依次设置的栅极金属层、衬底、栅极介质层、石墨烯/碳纳米管复合吸收层；所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层由至少一层石墨烯层和至少一层碳纳米管层组成，并且，至少一层石墨烯层与所述栅极介质层接触，所述石墨烯层的两端分别设有源极、漏极，所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的碳纳米管层设于所述源极、漏极之间，且所述碳纳米管层不与所述源极、漏极接触。本发明专利技术提供的红外光探测晶体管对红外光敏感，可应用于有线或无线通讯、感测和监控等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管
本专利技术有关于一种基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管，属于红外光探测

技术介绍
随着红外光探测技术在军事、民用等领域的广泛应用，具有高灵敏度、高信噪比的红外光探测器成为人们追逐的焦点，其探测原理是利用材料的光电转换性能，将红外辐射的光子信号转换为电子信号，与外电路相结合达到检测红外光信号的目标。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道按苯环形式排列的单原子层薄膜，其具有传统材料无法比拟的优点：衬底上石墨烯室温时的电子迁移率可达60000cm2/V·s。更重要的是，石墨烯由于线性能带色散关系，对紫外到中红外的光都能够具有显著吸收，是优秀的宽带吸光材料。且由于石墨烯是一种只有一个碳原子层厚度的二维薄膜，当其表面有其他材料时，石墨烯的电导对其他材料的光生载流子的静电扰动非常敏感。依据光选择效应(Photogatingeffect)，有望采用石墨烯制备超高增益光探测器。此外，尽管石墨烯很薄，但其柔韧性佳，可在Si等其他衬底上制备大面积石墨烯，2010年Kim研究组(Bae,S.,H.Kim,etal.(2010)."Roll-to-rollproductionof30-inchgraphenefilmsfortransparentelectrodes."Naturenanotechnology5(8):574-578)报道实现了30inch石墨烯的制备转移。这一优势有望使得石墨烯基器件集成于成熟的Si基集成电路上，进而应用于集成光电子电路，更有利于图像识别与远程控制，且可缩小光探测设备体积。然而，由于石墨烯很薄，其吸光率只有约2.3％，导致石墨烯的本征光响应低(≤1×10-2mA·W-1)。有研究组优化了器件的结构设计，如：制备具有5×5mm2光吸收面积的石墨烯基p-n垂直异质结(Kim,C.O.etal.Highphotoresponsivityinanall-graphenep-nverticaljunctionphotodetector.Nat.Commun.5:3249doi:10.1038/ncomms4249(2014))，使其光响应达到了0.4-1mA·W-1；也有报道在双层石墨烯间加入载流子隧穿层(Liu,C.-H.,Y.-C.Chang,etal.(2014)."Graphenephotodetectorswithultra-broadbandandhighresponsivityatroomtemperature."Naturenanotechnology9:273-278)，实现了超宽波长范围光探测(532nm-3200nm)，其光响应也能达到1A·W-1。但由于石墨烯层是吸光层，器件的光吸收率低的问题仍然没有改善。为了提高石墨烯基器件的光探测性能，增强吸光率将是实现石墨烯基光子探测器件的一个重要途径。2011年Duan研究组(LiuY.etal.Plasmonresonanceenhancedmulticolourphotodetectionbygraphene.Nat.Commun.2:579doi:10.1038/ncomms1589(2011).)报道采用金属等离激元和石墨烯耦合的方式可有效增强光电流，增加后的光电流为不使用等离激元器件的4-5倍，其光响应达到几mA·W-1量级，可见金属等离激元耦合能带来器件性能一定程度的提高。2012年FrankH.L.Koppens研究组(Konstantatos,G.,M.Badioli,etal.(2012)."Hybridgraphene-quantumdotphototransistorswithultrahighgain."Naturenanotechnology7(6):363-368)使用胶体量子点为光吸收层，石墨烯作为光生载流子迁移沟道制备了混合型光探测晶体管，归功于量子点的光吸收，器件光响应高达1×107A·W-1，只是半导体材料PbS量子点的光谱吸收特性决定了器件的响应光谱范围，导致器件光谱响应范围窄。
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红外光探测晶体管，其基于石墨烯碳纳米管复合吸收层，能够降低红外光探测器的暗电流并提高其响应度。本专利技术的目的还在于提供含有上述红外光探测晶体管的设备。为达到上述目的，本专利技术首先提供了一种基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管，其中，该红外光探测晶体管包括自下而上依次设置的栅极金属层、衬底、栅极介质层、石墨烯/碳纳米管复合吸收层；所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层由至少一层石墨烯层和至少一层碳纳米管层组成，石墨烯层可在碳纳米管层之下，也可以在碳纳米管层之上，并且，至少一层石墨烯层与所述栅极介质层接触，所述石墨烯层的两端分别设有源极、漏极，所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的碳纳米管层设于所述源极、漏极之间。在上述红外光探测晶体管中，石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的石墨烯层和碳纳米管层的上下顺序可以调整，碳纳米管层为主要光吸收层，石墨烯层为辅助光吸收层并作为光生载流子的输运沟道。碳纳米管层和石墨烯层直接接触形成具有红外吸收特性的场效应晶体管。源极的下端面与漏极的下端面分别与石墨烯层接触，形成用于连接晶体管的源极与漏极的导电沟道。碳纳米管层在源极与漏极之间，与石墨烯层直接接触，碳纳米管层和源极、漏极不直接接触。碳纳米管在红外波段有宽的响应波长范围，较高的操作温度和较高的信噪比，且能很好地分离光生电子-空穴对。不同直径的碳纳米管具有不同的吸收峰，本专利技术利用碳纳米管的这一特性通过改变碳纳米管的微观参数改变探测器的探测范围，从而实现探测器的最敏感波长控制。本专利技术便是采用碳纳米管作为石墨烯/碳纳米管复合吸收层红外探测晶体管的主要光吸收层。碳纳米管和石墨烯是碳材料的同素异形体，它们可通过π-π键合的方式形成界面，将有助于载流子的输运。碳纳米管和石墨烯都有优良的电学性质，载流子在碳纳米管中的传输比半导体量子点中的传输速率将更快，因此，器件的响应速率会更高。总之，本专利技术所提供的器件具有比传统红外探测器件更高的光响应，更灵活的探测波长范围，更高的增益，更快的响应速度。而且，由于碳纳米管和石墨烯的大规模制备技术趋于成熟，本专利技术的器件可进行规模化制备，成本也将更低。根据本专利技术的具体实施方案，优选地，在上述红外光探测晶体管中，所述碳纳米管层中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金属性碳纳米管、半导体性碳纳米管等中的一种或几种的组合。根据本专利技术的具体实施方案，优选地，在上述红外光探测晶体管中，所述碳纳米管层的厚度为1-20nm。根据本专利技术的具体实施方案，优选地，在上述红外光探测晶体管中，所述源极与所述漏极分别包括至少两层金属，并且，其最下层金属与所述石墨烯层接触；更优选地，所述源极与所述漏极的最下层金属不同，例如：源极与漏极的下层金属是不同功函数的导电材料。更优选地，所述源极和所述漏极的厚度分别为20-100nm，单层金属层的厚度至少为3nm。根据本专利技术的优选实施方案，所述源极和所述漏极的金属分别可以包括铝、金、钛、钯、镍和铬等中的一种或几种的组合。根据本专利技术的具体实施方案，优选地，在上述红外光探测晶体管中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管，其中，该晶体管包括自下而上依次设置的栅极金属层、衬底、栅极介质层、石墨烯/碳纳米管复合吸收层；所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层由至少一层石墨烯层和至少一层碳纳米管层组成，并且，至少一层石墨烯层与所述栅极介质层接触，所述石墨烯层的两端分别设有源极、漏极，所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的碳纳米管层设于所述源极、漏极之间，且所述碳纳米管层不与所述源极、漏极接触。

【技术特征摘要】
2014.06.16 CN 20141026559911.一种基于石墨烯碳纳米管复合吸收层的红外光探测晶体管，其中，该晶体管包括自下而上依次设置的栅极金属层、衬底、栅极介质层、石墨烯/碳纳米管复合吸收层；所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层由至少一层石墨烯层和至少一层碳纳米管层组成；并且，至少一层石墨烯层与所述栅极介质层接触，所述石墨烯层的两端分别设有源极、漏极，所述石墨烯/碳纳米管复合吸收层中的碳纳米管层设于所述源极、漏极之间，且所述碳纳米管层不与所述源极、漏极接触；所述碳纳米管层的厚度为1-20nm；其中，所述碳纳米管层中的碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金属性碳纳米管、半导体性碳纳米管中的一种或几种的组合；其中，所述源极与所述漏极分别包括至少两层金属，并且，其最下层金属与所述石墨烯层接触；所述源极和所述漏极的厚度分别为20-100nm，单层金属层的厚度至少为3nm。2.根据权利要求1所述的红外光探测晶体管，其中，所述石墨烯层中的石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯或少层石墨烯；所述少层石墨烯的层数小于或等于10层。3.根据权利要求1-2任一项所述的红外光探测晶体管，其中，所述栅极金属层包括至少一层金属层；所述栅极金属层的总厚度在2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王枫秋，刘远达，黎遥，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