柔性二硫化钼光电晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性二硫化钼光电晶体管及其制备方法，主要解决现有柔性晶体管制作工艺难度较高及性能较差的问题。该晶体管结构自下而上包括栅极(1)，介电层(2)，半导体层(3)；该半导体层(3)的两端设有分别与介电层(2)连接的源电极(4)和漏电极(5)，该栅极(1)采用表面蒸有ITO透明电极层的柔性透明材料聚萘二甲酸乙二醇酯PEN，该半导体层(3)掺杂有5％‑15％的氢氧化钾水溶液。本发明专利技术通过运用衬底转移技术将器件从硅衬底上转移到PEN衬底上，并且在衬底转移过程中对二硫化钼材料进行掺杂以降低其接触电阻，简化了制作工艺，降低了成本，提高了器件的性能和柔性，可用于电子、通信和医疗设备。

【技术实现步骤摘要】
柔性二硫化钼光电晶体管及其制备方法
本专利技术属于半导体器件
，特别涉及一种二硫化钼光电晶体管，用于电子、通信和医疗设备。
技术介绍
光电晶体管是一种光电探测器，即将光信号转换为电信号的器件，被广泛应用于电子、通信、军事和医疗等领域，光电晶体管作为一种场效应晶体管，其工作原理是利用沟道材料的光电导效应探测入射光，并且可以通过在底栅施加栅压来调控沟道载流子的输运特性。强烈的光致发光现象使得单层或多层的MoS2材料在光激发器、光电探测器以及光催化等领域有着巨大的应用前景，并且随着MoS2层数的减小，其可以由1.2eV的间接带隙变为1.85eV的直接带隙，并且不同层数的MoS2光电晶体管可以用于不同波长的识别。MoS2光电晶体管的电流的大小取决于光照强度，并且其开关速度快，在50ms内可以实现光电流的产生和消失，其光灵敏度比基于石墨烯的光电晶体管高的多。以MoS2作为沟道材料制造光电晶体管，并且器件的性能优异。但是这些光电晶体管大多制作在硬表面上，呈现扁平状，而柔性表面可以弯曲，类似哺乳动物的眼睛，因而柔性光电晶体管更加容易模拟哺乳动物的眼睛的作用机理，即可以把光电晶体管弯曲成任何形状，按照人们的想法装入光学系统，应用于任何有赖于光传感的产品，单层MoS2材料的柔韧性远大于金属，非常适合制作柔性可穿戴器件，目前有许多研究学者在柔性塑料基底上制作基于二硫化钼的柔性电子器件，发现其在弯折程度很大，当弯折曲率半径为0.75mm时，其性能不发生改变。但是目前的柔性光电晶体管存在以下问题：1)柔性光电晶体管的光电性能低于硬性光电晶体管的性能；2)柔性光电晶体管的制作工艺与目前存在的硬性光电晶体管的制作工艺不兼容，例如高温工艺对于柔性晶体管不适用；3)制作柔性光电晶体管的方法步骤相对普通晶体管较为复杂；4)柔性光电晶体管的制作成本高。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了一种柔性二硫化钼光电晶体管及其制备方法，以在降低接触电阻的基础上提高晶体管性能，降低工艺难度，简化制作步骤，降低制作成本，为实现大批量生产奠定基础。为实现上述目的，本专利技术柔性二硫化钼光电晶体管，自下而上包括底栅1，介电层2，半导体层3，半导体层3的两端分别为与介电层2连接的源电极4和漏电极5，其特征在于，底栅1采用表面蒸有ITO透明电极层的柔性透明材料聚萘二甲酸乙二醇酯PEN，半导体层3掺杂有5％-15％的氢氧化钾水溶液。为实现上述目的，本专利技术制备柔性二硫化钼光电晶体管的方法，包括：1)将带有200-300nmSiO2的p型重掺杂硅片衬底清洗干净，再用氮气枪吹干；2)采用透明胶带将1-6nm厚的MoS2薄膜从MoS2固体上剥离，粘在吹干后的硅片上，再去掉胶带，将MoS2薄膜转移到硅片上；3)在覆盖有MoS2薄膜的硅片衬底上旋涂光刻胶并退火，采用激光直写的方法在光刻胶上刻出电极的图形，衬底置于显影液中浸泡22秒去掉电极区域的光刻胶，暴露出需要蒸镀电极部分的MoS2薄膜；4)在已刻有电极图形的MoS2薄膜上淀积60-80nm厚的Au，再将其置于丙酮中浸泡5-12小时，以去除电极图形以外多余的Au薄膜以及多余的光刻胶，形成器件的源漏电极，形成以硅为衬底的MoS2光电晶体管；5)在带有MoS2光电晶体管的硅片上旋涂厚度为100-200nm的聚甲基丙烯酸甲脂薄膜后退火；6)将硅片衬底四周边缘上旋涂的聚甲基丙烯酸甲脂薄膜刮掉，并将衬底平置于浓度为5％-15％的KOH溶液的表面上悬浮15-45分钟，使器件从硅衬底上剥离；7)在表面蒸有ITO透明电极层的厚度为125-188μm的聚萘二甲酸乙二醇酯PEN衬底上，旋涂厚度为500-1000nm的聚甲基丙烯酸甲脂后退火，再用不带有ITO透明电极层的一侧将悬浮在KOH溶液表面的器件捞起，完成将硅衬底上的MoS2光电晶体管转移到PEN衬底上的操作；8)将经7)转移后的器件轻拉至PEN衬底中间，并静置直到水分完全蒸发，形成以PEN为衬底的柔性MoS2光电晶体管。本专利技术具有以下有益效果：1.具有柔性性质，由于本专利技术的二硫化钼光电晶体管所使用的材料，包括金电极、二硫化钼薄膜以及PEN衬底，这些材料都具有柔性性质，因而制作的二硫化钼光电晶体管有柔性性质。2.与光的接触面积变大由于本专利技术的二硫化钼光电晶体管采用透明衬底PEN，因而二硫化钼层的上下表面都可以接触到光，器件与光的接触面积变大。3.易于制作由于本专利技术制作的二硫化钼光电晶体管是直接从硅衬底转移到PEN衬底上的，因而制作工艺难度低。4.掺杂步骤简化由于本专利技术的剥离器件过程是在浓度为5％-15％的氢氧化钾水溶液中进行的，可将二硫化钼层掺杂步骤与剥离合二为一，简化了掺杂步骤。5.光响应性能良好由于本专利技术利用二维层状二硫化钼材料的载流子迁移率高，带隙窄，光敏性能良好的特点，因而提高了光电性能和对低光照强度的敏感度。6.接触电阻低由于氢氧化钾水溶液中的钾离子对单层或多层MoS2进行有效地n型表面掺杂，因而降低了二硫化钼与源漏电极的接触电阻。附图说明图1是本专利技术的柔性二硫化钼光电晶体管结构示意图；图2是本专利技术制作柔性二硫化钼光电晶体管的工艺流程图；具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。参见图1，本专利技术的柔性二硫化钼光电晶体管结构，包括底栅1，介电层2，半导体层3，源电极4和漏电极5，底栅1，介电层2和半导体层3自下而上设立，源电极4和漏电极5分布在半导体层3的两端，且分别与介电层2连接，其中，底栅1采用表面蒸有ITO透明电极层的柔性透明材料聚萘二甲酸乙二醇酯PEN，厚度为125-188μm；半导体层3采用厚度为1-6nm的二硫化钼薄膜，且掺杂有5％-15％的氢氧化钾水溶液；介电层2为厚度是200-300nm的二氧化硅；源电极4与漏电极5均采用厚度为60-80nm的Au。参见图2，本专利技术制备上述柔性二硫化钼晶体管结构的方法，给出以下实施例：实施例1，制备二硫化钼薄膜厚度为5.2nm的柔性二硫化钼光电晶体管。步骤1：清洗硅衬底。将带有280nm厚的SiO2的p型重掺杂硅片依次置于丙酮和异丙醇中超声清洗15min，去除表面污染物，清洗完成后用氮气枪吹干。步骤2：在清洗后的衬底上制备MoS2薄膜。先使用透明胶带将5.2nm厚的MoS2薄膜从MoS2固体上剥离；再将粘有MoS2薄膜的胶带紧密的贴到步骤1中已经清洗好的硅衬底上；然后将透明胶带撕下，使MoS2薄膜留在硅片上。步骤3：在MoS2薄膜上制备电极图形。3a)在带有MoS2薄膜的硅片上旋涂4μm厚的MICROPOSITS1811光刻胶，其中旋涂转速为1000rpm，旋涂时间为60s，然后将衬底置于温度为90℃的热台上退火12min，形成光刻胶层；3b)采用激光直写的方法在MoS2薄膜中的薄膜上制备2μm宽的带状电极图案，即先用光学显微镜在硅片衬底上找到所需的MoS2薄膜并标记其位置，再用计算机控制激光在MoS2薄膜中的薄膜上制备2μm宽的带状电极图案；3c)将衬底置于MicropositMF319显影液中浸泡22秒，以去除电极区域的光刻胶，使MoS2薄膜暴露出来，形成带有电极图形的样品。步骤4：制备Au金属电极。4a)将步骤3所得到的样品转入到金属蒸镀室中，在真空度小于5×10-4Pa，电流为38A的条件下热蒸发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性二硫化钼光电晶体管，包括自下而上包括底栅(1)，介电层(2)，半导体层(3)，半导体层(3)的两端分别为与介电层(2)连接的源电极(4)和漏电极(5)，其特征在于，底栅(1)采用表面蒸有ITO透明电极层的柔性透明材料聚萘二甲酸乙二醇酯PEN，半导体层(3)掺杂有5％‑15％的氢氧化钾水溶液。

【技术特征摘要】
1.一种柔性二硫化钼光电晶体管，包括自下而上包括底栅(1)，介电层(2)，半导体层(3)，半导体层(3)的两端分别为与介电层(2)连接的源电极(4)和漏电极(5)，其特征在于，底栅(1)采用表面蒸有ITO透明电极层的柔性透明材料聚萘二甲酸乙二醇酯PEN，半导体层(3)掺杂有5％-15％的氢氧化钾水溶液。2.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述底栅(1)采用厚度为125-188μm的PEN。3.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述介电层(2)采用厚度为200-300nm的二氧化硅。4.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述半导体层(3)采用厚度为1-6nm的二硫化钼。5.根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述源电极(4)和漏电极(5)均采用厚度为60-80nm的Au。6.一种柔性二硫化钼光电晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将带有200-300nmSiO2的p型重掺杂硅片衬底清洗干净，再用氮气枪吹干；2)采用透明胶带将1-6nm厚的MoS2薄膜从MoS2固体上剥离，粘在吹干后的硅片上，再去掉胶带，将MoS2薄膜转移到硅片上；3)在覆盖有MoS2薄膜的硅片衬底上旋涂光刻胶并退火，采用激光直写的方法在光刻胶上刻出电极的图形，衬底置于显影液中浸泡22秒去掉电极区域的光刻胶，暴露出需要蒸镀电极部分的MoS2薄膜；4)在已刻有电极图形的MoS2薄膜上淀积60-80nm厚的Au，再将其置于丙酮中浸泡5-12小时，以去除电极图形以外多余的Au薄膜以及多余的光刻胶，形成器件的源漏电极，形成以硅为衬底的MoS2光电晶体管；5)在带有MoS2光电晶体管的硅片上旋涂厚度为150-200nm的聚甲基丙烯酸甲脂薄膜后退火；6)将硅片衬底四周边缘上旋涂的聚甲基丙烯酸甲脂薄膜刮掉，并将衬底平置于浓度为5％-15％的KOH溶液的表面上悬浮15-45...

【专利技术属性】
技术研发人员：林珍华，常晶晶，张冰娟，苏杰，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61