基于石墨烯碳納米管復(fù)合吸收層的紅外光探測晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明有關(guān)于一種基于石墨烯碳納米管復(fù)合吸收層的紅外光探測晶體管，屬于紅外光探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著紅外光探測技術(shù)在軍事、民用等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有高靈敏度、高信噪比的紅外光探測器成為人們追逐的焦點，其探測原理是利用材料的光電轉(zhuǎn)換性能，將紅外輻射的光子信號轉(zhuǎn)換為電子信號，與外電路相結(jié)合達(dá)到檢測紅外光信號的目標(biāo)。
[0003]石墨烯是一種碳原子以Sp2雜化軌道按苯環(huán)形式排列的單原子層薄膜，其具有傳統(tǒng)材料無法比擬的優(yōu)點:襯底上石墨烯室溫時的電子迀移率可達(dá)60000cm2/V.so更重要的是，石墨烯由于線性能帶色散關(guān)系，對紫外到中紅外的光都能夠具有顯著吸收，是優(yōu)秀的寬帶吸光材料。且由于石墨烯是一種只有一個碳原子層厚度的二維薄膜，當(dāng)其表面有其他材料時，石墨烯的電導(dǎo)對其他材料的光生載流子的靜電擾動非常敏感。依據(jù)光選擇效應(yīng)(Photogating effect)，有望采用石墨稀制備超高增益光探測器。此外，盡管石墨稀很薄，但其柔韌性佳，可在Si等其他襯底上制備大面積石墨烯，2010年Kim研宄組(Bae，S.，H.Kim, et al.(2010).〃Roll-to_roll product1n of 30-1nch graphene films fortransparent electrodes."Nature nanotechnology 5 (8): 574-578)報道實現(xiàn)了 30inch石墨烯的制備轉(zhuǎn)移。這一優(yōu)勢有望使得石墨烯基器件集成于成熟的Si基集成電路上，進(jìn)而應(yīng)用于集成光電子電路，更有利于圖像識別與遠(yuǎn)程控制，且可縮小光探測設(shè)備體積。
[0004]然而，由于石墨烯很薄，其吸光率只有約2.3%，導(dǎo)致石墨烯的本征光響應(yīng)低(彡lXlO^mA-ff^o有研宄組優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如:制備具有5X5mm2光吸收面積的石墨稀基 p-n 垂直異質(zhì)結(jié)(Kim, C.0.et al.High photoresponsivity in anall-graphene p_n vertical junct1n photodetector.Nat.Commun.5:3249do1:10.1038/ncomms4249 (2014))，使其光響應(yīng)達(dá)到了 0.4_lmA.W—1;也有報道在雙層石墨烯間加入載流子隧穿層(Liu, C.-H.，Y.-C.Chang, et al.(2014)."Graphene photodetectorswith ultra-broadband and high responsivity at room temperature."Naturenanotechnology 9:273-278)，實現(xiàn)了超寬波長范圍光探測(532nm_3200nm)，其光響應(yīng)也能達(dá)到IA.W—1。但由于石墨烯層是吸光層，器件的光吸收率低的問題仍然沒有改善。為了提高石墨烯基器件的光探測性能，增強吸光率將是實現(xiàn)石墨烯基光子探測器件的一個重要途徑。2011 年 Duan 研宄組(Liu Y.et al.Plasmon resonance enhanced multicolourphotodetect1n by graphene.Nat.Commun.2:579do1: 10.1038/ncommsl589 (2011).)報道采用金屬等離激元和石墨烯耦合的方式可有效增強光電流，增加后的光電流為不使用等離激元器件的4-5倍，其光響應(yīng)達(dá)到幾mA.W—1量級，可見金屬等離激元耦合能帶來器件性能一定程度的提高D 2012 年 Frank H.L.Koppens 研究組(Konstantatos，G.，M.Bad1lij etal.(2012)."Hybrid graphene-quantum dot phototransistors with ultrahighgain."Nature nanotechnology 7 (6):363-368)使用膠體量子點為光吸收層，石墨稀作為光生載流子迀移溝道制備了混合型光探測晶體管，歸功于量子點的光吸收，器件光響應(yīng)高達(dá)I X 17A.W—1，只是半導(dǎo)體材料PbS量子點的光譜吸收特性決定了器件的響應(yīng)光譜范圍，導(dǎo)致器件光譜響應(yīng)范圍窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種紅外光探測晶體管，其基于石墨烯碳納米管復(fù)合吸收層，能夠降低紅外光探測器的暗電流并提高其響應(yīng)度。
[0006]本發(fā)明的目的還在于提供含有上述紅外光探測晶體管的設(shè)備。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種基于石墨烯碳納米管復(fù)合吸收層的紅外光探測晶體管，其中，該紅外光探測晶體管包括自下而上依次設(shè)置的柵極金屬層、襯底、柵極介質(zhì)層、石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層；
[0008]所述石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層由至少一層石墨烯層和至少一層碳納米管層組成，石墨烯層可在碳納米管層之下，也可以在碳納米管層之上，并且，至少一層石墨烯層與所述柵極介質(zhì)層接觸，所述石墨烯層的兩端分別設(shè)有源極、漏極，所述石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層中的碳納米管層設(shè)于所述源極、漏極之間。
[0009]在上述紅外光探測晶體管中，石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層中的石墨烯層和碳納米管層的上下順序可以調(diào)整，碳納米管層為主要光吸收層，石墨烯層為輔助光吸收層并作為光生載流子的輸運溝道。碳納米管層和石墨烯層直接接觸形成具有紅外吸收特性的場效應(yīng)晶體管。源極的下端面與漏極的下端面分別與石墨烯層接觸，形成用于連接晶體管的源極與漏極的導(dǎo)電溝道。碳納米管層在源極與漏極之間，與石墨烯層直接接觸，碳納米管層和源極、漏極不直接接觸。
[0010]碳納米管在紅外波段有寬的響應(yīng)波長范圍，較高的操作溫度和較高的信噪比，且能很好地分離光生電子-空穴對。不同直徑的碳納米管具有不同的吸收峰，本發(fā)明利用碳納米管的這一特性通過改變碳納米管的微觀參數(shù)改變探測器的探測范圍，從而實現(xiàn)探測器的最敏感波長控制。本發(fā)明便是采用碳納米管作為石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層紅外探測晶體管的主要光吸收層。碳納米管和石墨烯是碳材料的同素異形體，它們可通過31-31鍵合的方式形成界面，將有助于載流子的輸運。碳納米管和石墨烯都有優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，載流子在碳納米管中的傳輸比半導(dǎo)體量子點中的傳輸速率將更快，因此，器件的響應(yīng)速率會更高?？傊景l(fā)明所提供的器件具有比傳統(tǒng)紅外探測器件更高的光響應(yīng)，更靈活的探測波長范圍，更高的增益，更快的響應(yīng)速度。而且，由于碳納米管和石墨烯的大規(guī)模制備技術(shù)趨于成熟，本發(fā)明的器件可進(jìn)行規(guī)?；苽洌杀疽矊⒏汀?br>[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，優(yōu)選地，在上述紅外光探測晶體管中，所述碳納米管層中的碳納米管包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、金屬性碳納米管、半導(dǎo)體性碳納米管等中的一種或幾種的組合。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，優(yōu)選地，在上述紅外光探測晶體管中，所述碳納米管層的厚度為l_20nmo
[0013]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，優(yōu)選地，在上述紅外光探測晶體管中，所述源極與所述漏極分別包括至少兩層金屬，并且，其最下層金屬與所述石墨烯層接觸；更優(yōu)選地，所述源極與所述漏極的最下層金屬不同，例如:源極與漏極的下層金屬是不同功函數(shù)的導(dǎo)電材料。更優(yōu)選地，所述源極和所述漏極的厚度分別為20-100nm，單層金屬層的厚度至少為3nm。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，所述源極和所述漏極的金屬分別可以包括鋁、金、鈦、鈀、鎳和鉻等中的一種或幾種的組合。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，優(yōu)選地，在上述紅外光探測晶體管中，所述石墨烯層中的石墨烯為單層石墨烯、雙層石墨烯或少層石墨烯；更優(yōu)選地，所述少層石墨烯的層數(shù)小于或等于10層。石墨烯層所采用的石墨烯可以是摻雜的或未摻雜的，可以通過包括機械剝離、化學(xué)氣相沉積等工藝來制備。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，優(yōu)選地，在上述紅外光探測晶體管中，所述柵極金屬層包括至少一層金屬層；更優(yōu)選地，所述柵極金屬層的總厚度在20-100nm，單層金屬層的厚度至少為3nm。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，在上述紅外光探測晶體管中，柵極金屬層、源極金屬層和漏極金屬層的材料可以是本領(lǐng)域中制備柵極金屬層所常用的材料，可以采用一層連續(xù)的金屬薄膜，優(yōu)選地，所述柵極金屬層、源極金屬層和漏極金屬層的材料包括鋁、金、鈦、鎳和鉻等中的一種或幾種的組合。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，在上述紅外光探測晶體管中，襯底的材料可以是本領(lǐng)域中制備襯底所常用的材料，優(yōu)選地，所述襯底的材料為半導(dǎo)體材料；更優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體材料包括硅、氮化鎵、氧化鋅、碳化硅等中的一種或幾種的組合。襯底可選用但不限于硅片、玻璃、藍(lán)寶石等硬質(zhì)或柔性襯底，例如采用高摻雜P型Si襯底，用于支撐石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層光探測晶體管結(jié)構(gòu)。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，在上述紅外光探測晶體管中，優(yōu)選地，柵極介電層的材料為透光率高的介電材料(或稱低光吸收的介電材料)；更優(yōu)選地，所述透光率高的介電材料包括氧化鎵、氧化硅、三氧化二鋁和氮化硅等中的一種或幾種的組合。
[0019]本發(fā)明提供的基于石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層的紅外光探測晶體管可以是按照常規(guī)方式制備的，柵極介質(zhì)層可以通過熱氧化法形成在襯底表面；柵極金屬層可以通過電子束蒸發(fā)法沉積在襯底的表面；石墨烯可以是常規(guī)方法制備并通過PMMA輔助的方法轉(zhuǎn)移到柵極介質(zhì)層的表面；源極和漏極可以通過光刻法、lift-off工藝、電子束蒸發(fā)法形成于石墨烯的表面；在石墨烯的表面可以通過光刻制備出石墨烯溝道，并采用氧等離子體技術(shù)除去邊緣石墨烯，碳納米管可以制成懸濁液并旋涂在石墨烯溝道之中。當(dāng)具有多層石墨烯、碳納米管時，重復(fù)進(jìn)行相關(guān)的制備步驟即可。
[0020]本發(fā)明還提供了一種紅外光探測器，其中，該紅外光探測器包括上述基于石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層的紅外光探測晶體管。
[0021]在上述紅外光探測器，優(yōu)選地，所述柵極金屬層的下表面、所述源極的上表面、所述漏極的上表面分別設(shè)置有引出電極，所述引出電極通過電流測量器相互連接。
[0022]本發(fā)明還提供了上述基于石墨烯/碳納米管復(fù)合吸收層的紅外光探測晶體管在光譜檢測分析設(shè)備或圖像顯示傳感設(shè)備中的應(yīng)用。
[0023]本發(fā)明還提供了