具有碳系導(dǎo)體和量子點(diǎn)的光電平臺(tái)以及包含此種平臺(tái)的晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明包含一種光電平臺(tái)，其具有碳系導(dǎo)電層(2)和在該碳系導(dǎo)電層頂部作為光吸收材料的膠體量子點(diǎn)層(1)。所述碳系導(dǎo)電層可由石墨烯、被還原的氧化石墨烯或碳納米管制成。其維持低工作電壓的同時(shí)，能夠獲得約106的光電導(dǎo)增益。該平臺(tái)可以用作晶體管。
【專利說明】具有碳系導(dǎo)體和里子點(diǎn)的光電平臺(tái)以及包含此種平臺(tái)的晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電平臺(tái)。特別地，本發(fā)明涉及一種改善了光電導(dǎo)增益的平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]光電二極管(InGaAs適合于短波紅外應(yīng)用且Si適合于可見和近紅外應(yīng)用)展示出較高的靈敏度。但是，它們受到讀出噪音的限制且它們的量子效率受限于統(tǒng)一性(即，每個(gè)吸收的光子對(duì)應(yīng)I個(gè)載流子)。鑒于在光電二極管中缺乏光電導(dǎo)增益，已經(jīng)開發(fā)出APD (雪崩光電二極管)以通過載流子倍增效應(yīng)來提供增益。這些器件中的增益為每個(gè)吸收的光子對(duì)應(yīng)大約100?1000個(gè)載流子。將這些結(jié)構(gòu)整合至常見的圖像傳感器和低成本的探測器的技術(shù)挑戰(zhàn)是所需的高工作偏壓(大約100V)以及為抑制漏泄電流和防護(hù)由高外加偏壓所帶來的降解而延長器件壽命所需的附加層。此外，由于Aro所需的不同生長過程，這些器件不能單片地整合到CMOS電子設(shè)備中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明通過提供一種光電平臺(tái)而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的問題，該光電平臺(tái)包含碳系導(dǎo)電層和在該碳系導(dǎo)電層上面的用于吸收光的膠體量子點(diǎn)層。該平臺(tái)有利地具有基片和介于該基片與所述碳系層間的氧化物中間層。所述碳系層優(yōu)選是由石墨烯、被還原的氧化石墨烯或碳納米管制成的。所述基片可以是氮化硼或GaAs中的一種，且所述氧化物中間層為SiO2, LiF、氧化鋁和二氧化鉿中的一種或它們的混合物。所述量子點(diǎn)可以是下列材料的一種或多種:CdSe、CdS、PbSe、ZnO, ZnS, CZTS, Cu2S、Bi2S3、Ag2S、HgTe, CdHgTe, InAs, InSb0所述碳系層可以成形為矩形、納米收縮(nanoconstriction)、霍爾-棒(hall_bar)或帶的形式。本發(fā)明還包含具有源電極和漏電極以及此種平臺(tái)的晶體管，以及包含與所述量子點(diǎn)層相接觸的任選的上電極。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]為了完成描述并且為了更好地理解本發(fā)明，提供了一組附圖。所述附圖圖解了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制本發(fā)明的范圍，而僅僅是作為展示本發(fā)明如何實(shí)施的例子。所述附圖包含下列圖:
[0005]圖1:示出了本發(fā)明的第一實(shí)施方式。
[0006]圖2:示出了空穴如何從量子點(diǎn)層轉(zhuǎn)移至碳系層并且由此形成耗盡層。
[0007]圖3:本發(fā)明的工作原理的圖解。
[0008]圖4:在石墨烯通道的光電導(dǎo)增益圖表。
[0009]圖5:示出了本發(fā)明的器件的光譜響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】[0010]本發(fā)明是一種可與CMOS集成兼容的混合光電平臺(tái)，其由經(jīng)膠體量子點(diǎn)(CQD)致敏的碳系層(例如石墨烯)構(gòu)成。所述碳系層被用作載流子輸運(yùn)通道，且CQD被用作吸收材料。如圖1所示，當(dāng)應(yīng)用于光電晶體管時(shí)，將石墨烯層(2)沉積在硅基片(4)上，以SiO2中間層(3)形成光電晶體管的柵極，并且將兩個(gè)電極連接至所述石墨烯的橫向維度(Vs, Vd)上以形成器件的金屬接觸，所述金屬接觸類似于FET晶體管的源極和漏極電極。然后使用一層CQD(I)覆蓋所述石墨烯，該CQD層的帶隙可以根據(jù)該QD的尺寸和材料來調(diào)節(jié)(CdSe:400 - 650nm, PbS:650 - 2000nm, HgTe:1500nm - 4000nm)。
[0011]為了說明底層機(jī)制，我們專注于PbS QD的情形，但是這通常可以適用于其它QD材料。由于PbS QD的摻雜，在QD層與石墨烯的界面處形成有內(nèi)置場。如圖2所示，來自PbSQD的空穴轉(zhuǎn)移至石墨烯并且在PbS膜和內(nèi)置膜中形成耗盡層。入射光子在量子點(diǎn)中產(chǎn)生電子空穴對(duì)。由于QD至石墨烯層的能帶對(duì)齊，單一類型的載流子然后轉(zhuǎn)移至石墨烯層并且在從源極到漏極的外加電場的協(xié)助下通過石墨烯輸送到金屬接觸?？昭ū３纸亓粲赑bS層中，延長其載流子的壽命。當(dāng)石墨烯層中的光生電子到達(dá)漏極接觸時(shí)，由源極重新注入另一個(gè)電子以提供電荷保存(圖3)。因此，對(duì)于單個(gè)吸收的光子，電載流子在復(fù)合之前在器件中進(jìn)行再循環(huán)。在石墨烯-QD層處形成的異質(zhì)結(jié)抑制了復(fù)合，并因此由載流子的壽命與電子在石墨烯通道中的渡越時(shí)間的比值規(guī)定了截流子的數(shù)目。由于由石墨烯通道所提供的非常高的載流子遷移率，在本發(fā)明中觀察到了大約106的光電導(dǎo)增益(圖4)。鑒于石墨烯的高遷移率，該器件在源極-漏極中需要非常低的外加電場，從幾μ V至幾伏，并且所述增益可以以外加電壓進(jìn)行線性調(diào)整。這種現(xiàn)象(也稱為“光門控效應(yīng)(photogating effect)”)等效于在石墨烯層上具有頂柵極，在此處，入射光被用來在QD層中產(chǎn)生載流子，其發(fā)揮了光控制門的作用。
[0012]所提議器件可以以所述柵極開路而作為2-端器件進(jìn)行操作或者通過控制柵極的電勢并由此控制石墨烯 通道的導(dǎo)電性而作為光電晶體管進(jìn)行操作。通過向柵極施加電勢以關(guān)斷石墨烯層的暗電導(dǎo)率(在石墨烯具有帶隙的情況下)，可以將來自其中的暗電流最小化。可以在CQD層的頂部放置附加?xùn)艠O，以控制CQD層中的電場。可以采用此柵極來完全耗盡一厚層Q⑶膜，該一厚層Q⑶膜被用來完全地吸收入射光。可以擴(kuò)展所述附加?xùn)艠O的應(yīng)用以復(fù)位器件和控制時(shí)間響應(yīng):所述柵極的高反向偏壓信號(hào)脈沖Vg2可以切換電場的方向并且將截留于QD層中的光生空穴驅(qū)動(dòng)至石墨烯中或?qū)⒐馍娮訌氖?qū)動(dòng)至QD層中以誘導(dǎo)復(fù)合。
[0013]所述器件的光譜響應(yīng)如圖5所示。石墨烯的光譜靈敏度是通過QD重迭層中的光子吸收來確定的并且可以通過致敏材料的適當(dāng)選擇來調(diào)節(jié)。
[0014]該器件可以通過由溶液旋鑄或噴鑄一層QD來制造。使量子點(diǎn)經(jīng)歷配體交換過程以從表面去除油酸并且與二齒配體進(jìn)行置換，所述二齒配體交聯(lián)所述量子點(diǎn)并且使得它們成為導(dǎo)電固體。此類配體可以是:乙二硫醇、乙二胺、肼、乙硫醇、丙硫醇、甲酸、草酸、乙酸或無機(jī)結(jié)構(gòu)部分(inorganic moities)(例如SnS4、PbBr2、Pbl2、PbCl2)。還可以米用二齒配體分子來將QD電子耦合至石墨烯層。此類二齒配體包括:乙二硫醇、乙二胺、苯二硫酚、肼?？梢詫D層的總厚度從幾nm調(diào)節(jié)至幾百nm,從而完全地吸收入射光。
[0015]所述碳系層可以是一層碳納米管(CNT)或圖案化的石墨烯或經(jīng)還原的氧化石墨烯?？梢酝ㄟ^cvd來生長CNT并轉(zhuǎn)移至基片上。通過cbd來生長單層或多層的石墨烯、溶液處理并且再轉(zhuǎn)移到基片上，或者將石墨烯剝離后再轉(zhuǎn)移到基片上。可以通過各種各樣的技術(shù)來圖案化碳系導(dǎo)體，例如化學(xué)或等離子體蝕刻，或者通過熱活化的納米粒子、離子束、掃描探針光刻或一層接一層的去除。制造石墨烯納米帶的一種替代方法是拉鏈開納米管。
[0016]QD 可以是(但不限于):CdSe、CdS、PbSe、ZnO、ZnS、CZTS、Cu2S、Bi2S3、Ag2S、HgTe、CdHgTe> InAs> InSb 等等。
[0017]QD半導(dǎo)體材料可以是P型、η-型或本征的。光敏半導(dǎo)體材料可以是共軛聚合物或染料，可以通過旋涂、噴鑄、滴鑄或蒸發(fā)來沉積到石墨烯上。
[0018]所述碳系導(dǎo)體可以圖案化為任何特定的幾何形狀，例如矩形、納米收縮、霍爾-棒或帶(只有幾nm寬的帶)。當(dāng)所述碳系層由石墨烯組成時(shí)，那么其可以由單層或多層石墨烯制成?？梢詫?duì)石墨烯層(單層或多層)進(jìn)行修改以在碳系層中開啟一個(gè)帶隙。這能夠減小器件的暗電流并且電切斷晶體管通道。用以減小器件的暗電流和允許單光子探測的進(jìn)一步修改包括形成碳系通道的納米收縮，其可以供給庫侖阻塞現(xiàn)象，這種庫侖阻塞現(xiàn)象可以減小暗電流并允許單光子探測。
[0019]基片層可以是S1、氮化棚、GaAs等，并且所述介電中間層可以是任何氧化物，如SiO2, LiF、氧化鋁、二氧化鉿等。
[0020]本發(fā)明可以應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、遙感、夜視和單光子探測等用的成像傳感器中，可以應(yīng)用于低功率級(jí)傳輸及檢測用的光通信中以及可以應(yīng)用于超低功耗檢測用的光學(xué)儀器中，
等等ο
[0021]在本文中，術(shù)語“包含(comprise) ”及其派生(如“包含(comprising) ”等)不應(yīng)當(dāng)在排除意義上進(jìn)行理解，即，這些術(shù)語不應(yīng)當(dāng)被解釋為排除“所描述和定義的可以包括進(jìn)一步元素”的可能性。
[0022]另一方面，本發(fā)明顯然地不局限于本文中所描述的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明還涵蓋處于權(quán)利要求定義的本發(fā)明的一般范圍內(nèi)的、本領(lǐng)域技術(shù)人員可以考慮到的(例如，關(guān)于材料、尺寸、部件、配置等的選擇)任何變更。
【權(quán)利要求】
1.一種光電平臺(tái)，其包含碳系導(dǎo)電層(2)和在該碳系層(2)的頂部的用于吸收光的膠體量子點(diǎn)層，其特征在于所述碳系層是由石墨烯、被還原的氧化石墨烯或碳納米管制成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電平臺(tái)，其進(jìn)一步包含基片(4)和介于該基片與所述碳系層之間的介電中間層(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1~2任一項(xiàng)所述的光電平臺(tái)，其中所述基片是S1、氮化棚或GaAs中的一種，并且所述介電中間層是Si02、LiF、氧化鋁和二氧化鉿中的一種或它們的混合物。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光電平臺(tái)，其中所述量子點(diǎn)是下列材料的中一種或多種:CdSe、CdS、PbSe、ZnO, ZnS, CZTS, Cu2S, Bi2S3' Ag2S' HgTe, CdHgTe, InAs, InSb0
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光電平臺(tái)，其中所述碳系層成形為矩形、納米收縮、霍爾-棒或帶的形式。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的光電平臺(tái)，其中所述吸收層進(jìn)一步包含共軛聚合物或染料。
7.一種晶體管，其包含源極和漏極電極(Vs，Vd)以及前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的平臺(tái)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的晶體管，其進(jìn)一步包含與所述量子點(diǎn)層接觸的上電極。
【文檔編號(hào)】H01L31/0352GK104024146SQ201280044149
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月2日
【發(fā)明者】耶拉西莫斯·康斯坦塔托斯, 弗蘭克·科彭斯 申請(qǐng)人:光子科學(xué)研究所