本發(fā)明屬于半導體材料及光電器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光敏場效應管，具體的說，是涉及一種垂直溝道型光敏場效應管及其制備方法。

背景技術(shù)：

場效應管發(fā)展至今，其基本的器件構(gòu)成和工作原理類似，均包含三個電極，即源極、漏極、柵極。傳統(tǒng)的場效應管是利用柵極電壓控制導電溝道中載流子數(shù)目實現(xiàn)其功能的，制作方法較為成熟，器件成型也較為穩(wěn)定。垂直溝道型場效應管同時具備了普通場效應管的優(yōu)點和垂直溝道的很多獨特的性質(zhì)，從其結(jié)構(gòu)組成來看，垂直溝道型場效應管的漏極、半導體層和源極垂直分布。

在傳統(tǒng)硅基器件日益趨近物理極限的背景下，量子點場效應管作為一種新型納米器件受到了廣泛關(guān)注。量子點的三個維度上的尺寸都在納米量級，從材料維數(shù)受限的角度來看，當材料在不同方向上的維度尺寸小于該材料的費米波長時，材料中電子在該方向上的運動受限，導致其物理特性、光學特性發(fā)生了很大的變化。但隨著場效應管尺度的縮小，器件加工的均勻性問題變得越來越嚴重，器件的加工精度及摻雜均勻性也成為制約，使得場效應管的電學特性和穩(wěn)定性變差。而垂直溝道型場效應管可以克服傳統(tǒng)場效應管的性能限制，可以實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)尺寸減小從而使得整個場效應管尺寸縮小，進而實現(xiàn)小操作電壓下得到大的傳輸電流，并提高光敏場效應管的光效應靈敏度。

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，具有良好的電學、光學和機械性能。單層石墨烯透明度高，導電性好，厚度僅為0.3～0.4nm，是優(yōu)良的電極材料。目前，國際上以石墨烯為透明電極制備的垂直溝道場效應管主要采用有機材料作為半導體層。由于有機材料在空氣中的穩(wěn)定性較差，載流子遷移率也較低，由其作為半導體層制成的垂直溝道場效應管性能較差。而以性能較好的光敏量子點作為半導體溝道層的石墨烯電極垂直溝道場效應管還未有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于目前橫向場效應管隨著尺度的縮小，器件加工的均勻性、加工精度及摻雜均勻性成為制約，使得電學特性、穩(wěn)定性變差等缺陷；以及現(xiàn)有采用有機材料作為半導體溝道材料制成的石墨烯電極垂直溝道場效應管性能較差的缺陷，提供一種基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管及其制備方法，采用量子點作為半導體層、單層石墨烯作為透明電極，既綜合了PbS/PbSe量子點獨特的可調(diào)諧的光學特性、發(fā)光效率較高，又兼?zhèn)涫┎牧鲜覝貙щ娝俣茸羁?、導熱能力最強、比表面積大等優(yōu)點，具有的優(yōu)越的電特性和光可調(diào)諧性，在柔性光電材料、太陽能電池、傳感探測等諸多領(lǐng)域中具有很好的應用前景。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種量子點垂直溝道型光敏場效應管，包括作為襯底層的柵極-高摻雜單晶硅層，所述柵極-高摻雜單晶硅層上設(shè)置有二氧化硅層作為絕緣層，所述二氧化硅層上設(shè)置有單層石墨烯作為源極層；所述單層石墨烯上一側(cè)設(shè)置有源極金接觸層作為源極傳輸層，另一側(cè)設(shè)置有量子點層作為垂直導電溝道；所述量子點層上設(shè)置有金電極作為漏極層；所述源極金接觸層和所述金電極之間連接導線。

優(yōu)選地，所述柵極-高摻雜單晶硅層的厚度為3μm。

優(yōu)選地，所述二氧化硅層的厚度為300nm。

優(yōu)選地，所述量子點層為PbS量子點層或PbSe量子點層。

優(yōu)選地，所述量子點層的單層厚度為20-22nm，層數(shù)為3-20。

優(yōu)選地，所述源極金接觸層和所述金電極的厚度均為200nm。

一種上述量子點垂直溝道型光敏場效應管的制備方法，該方法按照以下步驟進行：

(1)制備所述柵極-高摻雜單晶硅層作為襯底層和所述二氧化硅層作為絕緣層；

(2)在所述二氧化硅層上轉(zhuǎn)移單層石墨烯作為源極層；

(3)在所述單層石墨烯上的一側(cè)制備源極金接觸層作為源極傳輸層，在所述單層石墨烯上的另一側(cè)制備量子點層作為垂直導電溝道；

(4)在所述量子點層上制備金電極作為漏極層。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述單層石墨烯由濕法轉(zhuǎn)移獲得。

優(yōu)選地，步驟(3)中所述源極金接觸層和步驟(4)中所述金電極利用多源有機氣相沉積系統(tǒng)采用真空蒸鍍法制備。

優(yōu)選地，步驟(4)所述量子點層的具體制備步驟如下：

a.放置已經(jīng)制備所述柵極-高摻雜單晶硅層、所述二氧化硅層、所述單層石墨烯的器件在勻膠臺上，設(shè)置勻膠臺轉(zhuǎn)速為2000rpm；

b.勻膠臺轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，取一滴PbS或PbSe量子點溶液滴于旋轉(zhuǎn)的所述器件表面，等待10秒至器件干燥；

c.依次滴三滴稀釋后的乙二硫醇溶液，所述乙二硫醇溶液的體積濃度為2％，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；

d.依次滴兩滴乙腈溶液，所述乙腈溶液為分析純，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；

e.依次滴兩滴甲苯溶液，所述甲苯溶液為分析純，每滴完一滴需等待10秒至器件干燥；

d.重復步驟(b)至步驟(e)3-20次，得到3-20層單層量子點構(gòu)成的量子點層。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管及其制備方法，利用PbS/PbSe量子點獨特的可調(diào)諧的光學特性和石墨烯材料室溫導電速度快、導熱能力強、比表面積大等優(yōu)點，具有的優(yōu)越的電特性和光可調(diào)諧性，對紅外波段的入射光具有較高的響應度；其制備方法中，襯底和二氧化硅層的制備采用現(xiàn)有比較成熟的技術(shù)，可靠性和穩(wěn)定性高而且成本較低，然后通過先沉積石墨烯源電極后涂覆量子點層的方法將量子點層涂覆在源極和漏極的中間區(qū)域，形成具有短垂直溝道的場效應管，工藝簡單，成本低，性能好，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的縱切面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所提供的基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所提供的基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的制備方法流程圖；

圖4為實施例所制備的基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的外觀圖。

圖中：1.襯底層，2.二氧化硅層，3.單層石墨烯，4.源極金接觸層，5.量子點層，6.金電極。

具體實施方式

下面通過具體的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，以下實施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

實施例1

本實施例提供了一種新型的量子點垂直溝道型光敏場效應管，并公開了這種場效應管的構(gòu)成及詳細制備方法。

本實施例公開的新型場效應管是一種基于石墨烯電極和PbS/PbSe量子點垂直溝道，可實現(xiàn)載流子高遷移率的光敏場效應管，可以通過外界光的變化來改變器件的工作性能。在入射光作用下可以實現(xiàn)量子點的高載流子濃度以及通過石墨烯電極的高遷移率實現(xiàn)對載流子的傳輸，從而控制漏極的電流輸出。器件對近紅外光具有較高的響應度和非常快的響應速度。

如圖1和圖2所示，本實施例涉及到的光敏場效應管整體結(jié)構(gòu)由多層不同材質(zhì)復合組成，從最底層往上依次為：

襯底層1，該層為柵極-高摻雜單晶硅層，厚度在3μm；

二氧化硅層2，該層在襯底層1上方緊挨襯底層1，厚度為300nm，作為絕緣層；

單層石墨烯3，該層在二氧化硅層2上方緊挨二氧化硅層2，是場效應管的源極，由濕法轉(zhuǎn)移獲得；

源極金接觸層4，該層在單層石墨烯3一側(cè)的上方且緊挨單層石墨烯3，是場效應管的源極傳輸層，運用金作為電極材質(zhì)，通過真空蒸鍍方法獲得，厚度為200nm；

量子點層5，為PbS量子點層或PbSe量子點層，該層在單層石墨烯3另一側(cè)的上方且緊挨單層石墨烯3，其厚度與旋涂量子點溶液的層數(shù)相關(guān)，一般單層厚度為20-22nm，層數(shù)為3-20。

金電極6作為漏極層是最上一層，運用金作為電極材質(zhì)，通過真空蒸鍍方法獲得，厚度為200nm；

可以從源極和漏極引出導電線用于測試和器件工作。

本實施例中涉及的基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管是逐層制備的，基于該場效應管的特定結(jié)構(gòu)，從襯底層到漏極層需逐步進行制備。

下面公開基于石墨烯電極的量子點垂直溝道場效應管的制備過程：

(一)襯底層1和二氧化硅層2的制備均采用現(xiàn)有成熟技術(shù)，利用MOCVD的方法制備硅基襯底層1，襯底層1為柵極-高摻雜單晶硅，厚度為3μm，上層氧化的的二氧化硅層2厚度為300nm。

(二)在二氧化硅層2上轉(zhuǎn)移單層石墨烯3作為源極層，具體方法如下：

1)對生長在超薄銅箔表面的單層石墨烯進行PMMA薄膜保護，將PMMA粉末溶解于乙酸乙酯溶液中，PMMA體積分數(shù)為5％。通過勻膠臺高速旋轉(zhuǎn)涂覆在銅箔表面，“石墨烯/銅箔”通過負壓吸附在臺面上，勻膠臺設(shè)定轉(zhuǎn)速為固定的3000轉(zhuǎn)每分鐘，PMMA溶液逐滴滴在“石墨烯/銅箔”的表面，最終形成均勻的表面PMMA膜；

2)將PMMA/石墨烯/銅箔置于稀釋后的銅箔腐蝕液中，銅箔腐蝕液進行稀釋，稀釋比例為腐蝕液：去離子水＝30:1，并倒于表面皿中，將器件浸入腐蝕液中，進行計時腐蝕50分鐘，腐蝕完后的銅箔完全溶解在溶液中，PMMA/石墨烯會降落在二氧化硅/硅基的表面，形成PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基；

3)對PMMA/石墨烯/二氧化硅/硅基用去離子水進行三次沖洗，去除銅箔腐蝕液殘留；

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保護層，并等待丙酮揮發(fā)完全，形成石墨烯/二氧化硅/硅基結(jié)構(gòu)；

5)對石墨烯/二氧化硅/硅基結(jié)構(gòu)用去離子水清洗三次，去除丙酮殘留；

6)對步驟5)處理過的器件進行120℃下15分鐘焙燒，去除可能殘留的去離子水，石墨烯就會干燥的附著在襯底上面。

(三)在單層石墨烯3上的一側(cè)制備量子點層4作為垂直導電溝道，量子點層的具體制備步驟如下：

a.放置已經(jīng)制備柵極-高摻雜單晶硅層1、二氧化硅層2、單層石墨烯3的器件在勻膠臺上，設(shè)置勻膠臺轉(zhuǎn)速為2000rpm，旋轉(zhuǎn)時間60秒；

b.將制備的PbS或PbSe量子點材料溶解在甲苯溶液中，配置成30mg/mL的量子點溶液；勻膠臺轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，取一滴PbS或PbSe量子點溶液滴于旋轉(zhuǎn)的器件表面，等待10秒至器件干燥；

c.滴一滴稀釋后的乙二硫醇溶液，稀釋后的乙二硫醇溶液的體積濃度為2％，選取溶劑為乙腈，等待10秒干燥，重復該步驟滴入三滴稀釋后的乙二硫醇溶液；

d.依次滴兩滴乙腈溶液，乙腈溶液為分析純，每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后進行下一滴；

e.滴兩滴甲苯溶液，甲苯溶液為分析純，每滴完一滴均需等待10秒，待干燥后進行下一滴。

以上為單層量子點的制備過程，可以通過重復多次滴加的方法，來控制量子點層數(shù)及層的厚度，可以得到性能不一的場效應管。一般量子點的層數(shù)為3-20，單層厚度為20-22nm。本實施例中進行的是5層量子點設(shè)計，厚度在110nm。本實施例中最終成型的石墨烯電極量子點垂直溝道型光敏場效應管如圖4所示。

(四)在單層石墨烯3上的另一側(cè)制備源極金接觸層5作為源極傳輸層，在量子點層4上制備金電極6作為漏極層。在實際應用中電極可以設(shè)計為多種樣式，本實施例中金屬電極設(shè)計利用多源有機氣相沉積系統(tǒng)采用真空蒸鍍法制備而成，蒸鍍電極使用的金屬均為高純金，純度為99.995％，蒸鍍的電極厚度是200nm。具體操作過程如下：

1.取出多源有機氣相沉積系統(tǒng)制作的模具，將待蒸鍍電極的器件放入其中，模具可以根據(jù)需要進行選擇性打開，以接受氣態(tài)金屬的附著。

2.五根高純金絲(99.995％)置于多源有機氣相沉積系統(tǒng)的鎢舟內(nèi)，質(zhì)量分別為0.0327g、0.0308g、0.0269g、0.0344g、0.0271g。

3.模板和金屬金放好以后，擋好遮擋板，關(guān)閉料箱電燈。通過抽真空控制板打開機械泵，利用機械泵進行初步抽真空，當真空度達到10²Pa，系統(tǒng)自動進行分子泵抽真空，真空度值為3×10^-4Pa。

4.通過石英晶體膜厚監(jiān)測儀板，打開石英晶體膜厚監(jiān)測儀進行檢測。同時打開電流面板的開關(guān)，調(diào)節(jié)電流值。剛開始時，通過電流面板調(diào)節(jié)電流大小，同時觀察材料狀態(tài)變化，當電流達到70A時，金開始熔化。

5.繼續(xù)增加電流至80A時，金開始沸騰。當金達到沸騰狀態(tài)以后，石英晶體監(jiān)測儀示數(shù)變化量增加，當示數(shù)變化率達到每秒10Hz時，迅速打開擋板，根據(jù)制膜的厚度的要求，控制監(jiān)測儀的示數(shù)變化值達到2000Hz要求，迅速關(guān)閉擋板。繼續(xù)觀察監(jiān)測儀的示數(shù)變化，當示數(shù)變化達到0～1Hz時，逐步減小電流，直到為零。

6.當電流示數(shù)為零時，停止抽真空，直到分子泵停止工作。繼續(xù)觀察分子泵控制器面板，分子泵轉(zhuǎn)速為零。關(guān)閉壓強計，充氣，打開料門，停止充氣，取出模具，再取出樣品。

本發(fā)明的優(yōu)點在于，襯底的制備采用現(xiàn)有比較成熟的技術(shù)，可靠性和穩(wěn)定性高而且成本較低；通過先沉積石墨烯源電極后涂覆量子點層的方法將量子點層涂覆在源極和漏極的中間區(qū)域，形成具有短溝道的場效應管，對紅外波段的入射光具有較高的響應度。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。