一种石墨烯/C60复合薄膜紫外探测器及制备方法与流程

本发明涉及一种基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管(阵列)及制备方法，属于紫外光探测领域。

背景技术：

基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测器的原理是材料吸收紫外波段的光子，将光信号转换成可通过外电路检测的电信号，从而达到探测紫外波段光信号的目标。

随着现代科学技术的发展，具有高灵敏度、高信噪比的光探测器成为人们追逐的焦点。石墨烯是一种sp²杂化的碳原子按苯环形式排列的单原子层薄膜，它具有传统材料无法比拟的优点。比如说，石墨的烯室温电子迁移率可达60000cm²v^-1s^-1。同时，由于线性能带色散关系，石墨烯在紫外到红外波段都具有光吸收，特别是在石墨烯能带的马鞍点，其具有极高的紫外吸光性能，使得石墨烯具有天然的紫外探测优势。然而，由于石墨烯很薄，只有一个碳原子层厚度，整体吸光度偏低导致石墨烯基器件的本征光响应很低。

将等离子体激元、微腔等结构整合到石墨烯表面，可在一定程度上提高其吸光率。2012年mueller课题组(furchim,etal.microcavity-integratedgraphenephotodetector[j].nanoletters,2012,12(6):2773-2777.)的研究表明，结合了微腔结构的石墨烯光吸收可以增加20倍以上，器件的光响应度可以增加到21ma/w；将石墨烯和吸光率高的材料制作成异质结，结合石墨烯高载流子迁移率和材料高吸光率的性能，也可得到响应度高的器件，如2012年frankh.l.koppens课题组制备出一种石墨烯-pbs量子点异质结器件(konstantatosg,etal.hybridgraphene-quantumdotphototransistorswithultrahighgain[j].naturenanotechnology,2012,7(6):363.)。得益于pbs量子点的高光吸收特性，器件的响应度可达10⁷a/w量级。但是，pbs量子点的光谱吸收范围有限，器件不能在紫外波段实现有效的光探测。

探测器的光谱探测范围和吸光层的光谱吸收范围密切相关，iii-v半导体由于具有宽带隙(>2.2ev)的特点，可吸收紫外波段的光，因此可制作石墨烯和iii-v半导体的复合结构器件，实现紫外光探测。2014年zhi-minliao组制备出基于石墨烯-gan复合吸收层的探测器件(linf,etal.graphene/gandiodesforultravioletandvisiblephotodetectors[j].appliedphysicsletters,2014,105(7):073103.)，可在紫外波段(325nm)实现毫秒级的光响应；也有报道利用光敏的有机物作为光吸收层，如2016年xinranwang组在石墨烯上表面外延生长了一定厚度的有机物(c8-btbt)(liux,etal.epitaxialultrathinorganiccrystalsongrapheneforhigh-efficiencyphototransistors[j].advancedmaterials,2016,28(26):5200-5205.)，该有机物在紫外波段(355nm)有显著的光吸收，器件的光响应度可达10⁴a/w。但是上述器件仍面临响应度或响应速度的竞争问题，很难同时实现高响应度和响应速度，且多数有机功能材料在紫外光照射下存在老化加速等问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种紫外光探测晶体管，其光吸收层为石墨烯/c60复合薄膜，该晶体管器件不仅能够在紫外光领域实现较强的光吸收，而且通过利用石墨烯作为c60的生长模板，可以实现大面积高均匀度的自组装耦合，为器件的阵列化提供了材料基础。

同时所述紫外光探测晶体管(阵列)具有较高的响应速度，可用于光谱检测、图形识别和图像传感等领域。

为达到上述目的，本发明技术方案是，一种基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管(阵列)。该晶体管(单个紫外光探测晶体管)由下而上依次包括栅极金属层、高掺杂硅栅、栅极介质层、石墨烯/(与)c60复合吸收层；所述的高掺杂硅栅和栅极介质层同时支撑石墨烯/c60复合吸收层薄膜，作为整个晶体管器件的衬底。

所述的石墨烯/c60复合吸收层由单层或若干层石墨烯和一定厚度的c60(2-300nm)组成。其中，石墨烯和栅极介质层接触，栅极介质层的两端制作有源极、漏极；

进一步，所述石墨烯/c60复合吸收层中的石墨烯为化学气相沉积法或者机械剥离法制备的单层或者几层石墨烯，优选地，石墨烯层数少于5层。在上述紫外光探测晶体管中，c60由于其较强的光吸收特性作为主要的光吸收层，石墨烯则由于其高迁移率特性作为载流子的传输通道；通常石墨烯位于c60的下端，同时作为c60生长的模板；在石墨烯层的两端分别制作源极和漏极，从而形成导电沟道。石墨烯和c60通过范德华力相互作用，形成具有紫外吸收特性的异质结晶体管。

进一步，所述石墨烯/c60复合吸收层中的c60通过有机热蒸镀、化学气相沉积、旋涂等方法制备，通过范德华力作用沉积在石墨烯上表面。所述石墨烯/c60复合吸收层中的c60厚度为2-300nm。

进一步，其中，所述源极与所述漏极分别制作在石墨烯层的两端，从而实现石墨烯作为导电沟道的目标。

进一步，所述源极与所述漏极分别包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少上下两层两种金属的组合。其中下层金属作为粘附层，同时实现与石墨烯功函数匹配；优选地，所述源极与所述漏极的最下层金属不同；

更优选地，所述源极和所述漏极的厚度分别为5-100nm，单层金属层的厚度至少为2nm。

进一步，其中栅极介质层与石墨烯接触，栅极金属制作在所述高掺杂硅栅表面，从而方便与外电路的连接并实现场调控。

进一步，所述栅极金属层包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少一层金属；优选地，所述栅极金属层的总厚度为5-100nm，单层金属层的厚度至少为2nm。

所述的紫外光探测晶体管，其中，所述高掺杂硅栅的材料为高掺杂n或p型硅材料，其电阻值为0.01-0.05ω·cm^-1。所述栅极介电层的材料通常为二氧化硅；优选地，可使用介电常数更高的氧化铝、氧化镓、氮化硅中的一种或几种组合。

所述栅极介电层的材料可通过热氧化、原子层沉积、气相外延生长等方法制备。

可规模化制备组成阵列分布。

所述的紫外光探测晶体管(阵列)，在光谱检测、图形识别和图像传感等领域的应用。

本发明提供的上述基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管，栅极介质层可以通过热氧化法形成在高掺杂硅的上表面；栅极金属层可以通过电子束蒸发法沉积在高掺杂硅栅的下表面；石墨烯可以是化学气相沉积方法制备并以pmma为辅助介质湿法转移到栅极介质层的表面，也可是通过机械剥离法直接转移到栅极介质层表面；在石墨烯的表面可以通过光刻、等离子体刻蚀制备出石墨烯沟道；源极和漏极可以通过光刻法、电子束蒸发和lift-off工艺制备；c60可通过有机热蒸镀、化学气相沉积、旋涂等方法沉积在石墨烯表面。

根据本发明的具体实施方案，单个石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管可作为单元器件，构筑成由多个器件组成的阵列。

根据本发明的具体实施方案，所述的紫外光探测晶体管(阵列)，可用于光谱检测、图形识别和图像传感等领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果：紫外光探测晶体管光吸收层为石墨烯/c60复合薄膜，该晶体管器件不仅能够在紫外光领域实现较强的光吸收，而且通过利用石墨烯作为c60的生长模板，可以实现大面积高均匀度的自组装耦合，为器件的阵列化提供了材料基础。电极的两层金属不同，其中下层金属作为粘附层，同时实现与石墨烯功函数匹配；c60对紫外光有较强的的吸收，因此基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管在紫外波段有较强的光响应；同时，由于c60和石墨烯都是sp²杂化结构，通过范德华力相互作用，可以实现原子级别的耦合，有利于界面电荷转移和光电流检测，可同时实现高光响应度和较快的响应速度，可用于光谱检测、图形识别和图像传感等领域。同时，整个晶体管器件的制备过程也与传统的硅基晶体管工艺兼容，这有利于器件的大规模集成和推广。

附图说明

图1为实施例1提供的基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管的纵向剖面示意图。

图2为实施例1提供的基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管的fet(fet,fieldeffecttransistor)示意图。

图3为实施例2提供的本征石墨烯和生长不同厚度c60的石墨烯/c60复合吸收层在紫外到可见光波段的吸收谱。

图4为实施例3提供的基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管构成的阵列示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明做如下说明：

根据本发明的具体实施方案，任一项所述的紫外光探测晶体管(阵列)。该晶体管(单个紫外光探测晶体管)由下而上依次包括栅极金属层、高掺杂硅栅、栅极介质层、石墨烯/(与)c60复合吸收层；所述的高掺杂硅栅和栅极介质层同时支撑石墨烯/c60复合吸收层薄膜，作为整个晶体管器件的衬底。所述的石墨烯/c60复合吸收层由单层或若干层石墨烯和一定厚度的c60(2-300nm)组成。其中，石墨烯和栅极介质层接触，栅极介质层的两端制作有源极、漏极；所述石墨烯/c60复合吸收层中的石墨烯为化学气相沉积法或者机械剥离法制备的单层或者几层石墨烯，优选地，石墨烯层数少于5层。所述源极与所述漏极分别包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少两种金属的组合。其中最下层金属作为粘附层，同时实现与石墨烯功函数匹配；优选地，所述源极与所述漏极的最下层金属不同；更优选地，所述源极和所述漏极的厚度分别为5-100nm，单层金属层的厚度至少为2nm。

根据本发明的具体实施方案，栅极介质层与石墨烯接触，栅极金属制作在所述高掺杂硅栅表面，从而方便与外电路的连接并实现场调控。

根据本发明的具体实施方案，所述栅极金属层包括金、钛、铂、铬、铝、镍和钯中至少一层金属；优选地，所述栅极金属层的总厚度在5-100nm，单层金属层的厚度至少为2nm。

根据本发明的具体实施方案，所述高掺杂硅栅的材料为高掺杂n或p型硅材料，其电阻值为0.01-0.05ω·cm^-1。

根据本发明的具体实施方案，所述栅极介电层的材料通常为二氧化硅；优选地，可使用介电常数更高的氧化铝、氧化镓、氮化硅中的一种或几种组合。这些栅极介电层的材料可通过热氧化、原子层沉积、气相外延生长等方法制备。

实施例1：本实施例提供了一种基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管，其纵向剖面示意图如图1所示。

单个紫外光探测晶体管由下而上依次包括栅极金属层11、高掺杂硅栅12(0.5mm)、栅极介质层13、石墨烯/c60复合吸收层。

高掺杂硅栅12和栅极介质层13可同时起到支撑石墨烯/c60复合吸收层薄膜的作用，作为整个晶体管器件的衬底。

石墨烯/c60复合吸收层包括石墨烯层14和c60层15(2-300nm)。

石墨烯层14和栅极介质层13接触，两端制作有源极、漏极；源极包括源极上层金属层16和源极下层金属层17，漏极金属层包括漏极上层金属层18和漏极下层金属层19。其中，源极下层金属层17和漏极下层金属层19材质不同。

本实施例提供的基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管可通过下述步骤制备：

a、将重掺杂的硅片(厚度0.5mm，n型或p型，阻值0.01-0.05ω·cm^-1)表面通过热氧化的方法形成300nm的二氧化硅，丙酮、异丙醇、去离子水分别超声清洗30分钟；

b、在硅片上表面(二氧化硅面)以pmma为辅助介质湿法转移上单层的石墨烯；

c、通过紫外曝光光刻或电子束曝光光刻制作一定宽、长的石墨烯沟道，并用氧等离子体刻蚀技术去除多余的石墨烯；

d、再次光刻制作电极图形，通过电子束蒸发、lift-off工艺制作金属电极(cr/au＝5nm/40nm或ti/au＝5nm/40nm或pt/au＝5nm/40nm)，包括源极、漏极、栅极。优选地，源极和漏极可使用不同的金属；

e、通过有机热蒸镀的方法在石墨烯表面生长一定厚度的c60(2-300nm)；

f、制作完成的晶体管器件可在源极、漏极、栅极处引线通过引线键合工艺与外电路连接，如图2所示。

实施例2：本实施例提供了基于c60厚度可控，实现响应度可控的石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管。如图3所示，使用有机热蒸镀方法在石墨烯表面沉积了不同厚度的c60薄膜，可以得到不同光吸收度的复合吸收层。可以通过控制c60的厚度，精准控制紫外吸收度，从而调控器件的量子效率和响应度等参数。

实施例3：本实施例提供了基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管组成的m×n阵列设计方案。如图4所示，上述基于石墨烯/c60复合吸收层的紫外光探测晶体管41栅极通过保护电阻43连接栅控端41，漏极通过保护电阻42连接位线44，沟道电阻值可以通过信号处理电路读出。该紫外光探测晶体管阵列包括阵列分布的m行和n列构筑的多个紫外光探测晶体管41及相关部件，通过外围信号处理电路依次读出阵列内所有晶体管中电阻值，进行光信号或图形信息的检测和识别。其它数字和字母是阵列的电极连出的编号。