多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器及制备方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器及制备方法。


背景技术：

2.石墨烯(graphene)是由碳原子按六边形蜂窝状排列形成的单层二维平面晶体材料。石墨烯具有特殊的零带隙结构，使其吸收光的波长范围很广，从紫外光、可见光、红外光到太赫兹都能产生光生载流子。除此之外，石墨烯超高的载流子迁移率和饱和漂移速度、亚微米级的弹道输运、优良的机械性能和热导率等，使其在众多二维材料中脱颖而出,在光电传感器领域具有应用潜力。
3.目前大多数石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistor，gfet)的石墨烯是转移到sio2上实现的。sio2的带电杂质会对石墨烯的载流子输运产生严重的库伦散射，降低石墨烯中电子的输运特性。而且大多数石墨烯光电探测器利用石墨烯-金属结或石墨烯p-n结在空间上分离和提取光生载流子。综上，在有效结区域内的低光吸收率和石墨烯的光载流子寿命短(～1ps)是开发高响应性石墨烯光电探测器面对的两个主要挑战。已经有人探索了各种技术来解决这些挑战并提高石墨烯光电探测器的响应度。尽管这些技术在提供高光电探测响应方面具有显着优势，但现有石墨烯光电探测器的范围和潜在用途仍然受到高响应率、超快时间响应和宽带操作之间的权衡的限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器及制备方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
6.一方面，本发明提供一种多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器，包括：衬底，所述的衬底的上方设有钝化层，所述的钝化层上方设有石墨烯沟道层，所述的石墨烯沟道层上设有源电极和漏电极，所述的源电极和漏电极为对称叉指电极或非对称叉指电极，所述的源电极和漏电极上方设有栅介质层，所述的栅介质层上方设有顶部多栅电极。
7.进一步的，所述的衬底为所述衬底为绝缘衬底，可以为刚性衬底如硅、碳化硅、蓝宝石等，或者柔性衬底如pet、pdms等。
8.进一步的，所述的钝化层为氮化硅(si3n4)、六方氮化硼(h-bn)等中的一种，采用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，化学气相沉积(cvd)等制备。
9.进一步的，所述的源电极和漏电极为对称的叉指电极或者非对称的叉指电极，并且在同一平面上，叉指电极宽长比为1:10～1:200，叉指电极沟道数为5～20个。
10.进一步的，所述的源电极和漏电极为复合电极，其中粘附层材料为cr、ti等中的一种，电极材料为au、pt等中的一种。
11.进一步的，所述的沟道层为单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯等中的一种。
12.进一步的，所述的栅介质层为sio2、al2o3、hfo2等中的一种，利用pecvd，原子层沉积，蒸镀等方法制备。
13.进一步的，所述的多栅电极中的第一子电极位于所述的源电极和漏电极之间的沟道正中间，在投影方向与所述的源电极和漏电极不相交，并且第一子电极由第一子连接电极连接到一起。
14.进一步的，所述的多栅电极为复合电极，其中粘附层材料为cr、ti等中的一种，电极材料为au、pt等中的一种。
15.第二方面，本发明提供一种如上所述的多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
16.利用微纳加工工艺，在si衬底上生长si3n4钝化层；利用微纳加工工艺，将石墨烯薄膜转移到si3n4钝化层上作为石墨烯沟道层；利用微纳加工工艺，在石墨烯沟道层上形成源、漏叉指电极；利用微纳加工工艺，在源电极和漏电极上沉积sio2栅介质层；利用微纳加工工艺，在sio2栅介质层上溅射得到顶部栅电极。
17.进一步的，利用所述的微纳加工工艺包括pecvd、光刻工艺、刻蚀等工艺制备了厚度为50-300nm的si3n4钝化层。
18.进一步的，利用所述的微纳加工工艺包括光刻、电子束蒸镀、剥离等工艺制备了源电极和漏电极，复合电极的材料为5-10nm的cr和10-50nm的pt，叉指电极的宽度为10-30μm，长度为100～800μm。
19.进一步的，所述的石墨烯沟道层可以采用化学气相沉积或机械剥离法或还原氧化法制备得到，再通过聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)湿法转移或干法转移到氮化硅钝化层上。
20.进一步的，利用所述的微纳加工工艺包括pecvd、光刻、刻蚀等工艺制备了10～50nm厚度的sio2栅介质层。
21.进一步的，利用所述的微纳加工工艺包括光刻、溅射、剥离等工艺制备多栅电极，复合电极材料为5-10nm的cr和10-50nm的pt，第一子电极的宽度为10-30μm，长度为100～800μm。
22.本发明有益效果：多栅极石墨烯场效应晶体管中采用了si3n4、h-bn等材料作为钝化层，最大的程度的保护了石墨烯；采用不同功函数的金属材料制作的非对称源电极和漏电极可以打破电势分布的对称性，从而减小光生载流子在导电沟道中的复合率，增大源电极和漏电极之间的净光电流、减小暗电流、提高灵敏度。此外，采用非对称叉指电极结构可以在增大有效感光面积的同时缩短电极间距，从而缩短沟道长度，提高响应速度；采用顶部多栅电极可以减少顶部栅电极的面积，增大了石墨烯的感光面积；制备方法简单，无特殊的工艺要求，可控性强，适用于实际生产。
23.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的
附图。
25.图1为本发明实施例所述的多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器的结构示意图。
26.图2为本发明实施例所述的的多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器的制备方法流程图；
27.图3为本发明实施例所述的制备多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器各工艺步骤的示意图。
28.其中：101-衬底；201-钝化层；301-源电极；302-漏电极；401-石墨烯沟道层；501-二氧化硅栅介质层；601-第一子电极；602第一子连接电极。
具体实施方式
29.下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
30.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
31.还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
32.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
34.为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
35.本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
36.实施例1
37.本实施例1中，提供一种多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器，包括；衬底，所述衬底的上设置有钝化层，所述钝化层上设置有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极为叉指电极，所述源电极和漏电极上设置有沟道层，所述沟道层上方设置有栅介质层，所述栅介质层上方设置有多栅电极。
38.所述衬底为绝缘衬底，可以为刚性衬底如硅、碳化硅、蓝宝石等，或者柔性衬底如
pet、pdms等；
39.所述的钝化层厚度的10～50nm，材料为氮化硅(si3n4)、六方氮化硼(h-bn)等材料中的一种，其采用化学气相沉积、原子束沉积法、蒸镀等方法制备；
40.所述的源电极和漏电极为叉指电极，所述的叉指电极宽长比为1:10～1:200，所述的叉指电极的沟道数为5～20个，所述的源电极和漏电极可以为相同的材料或不同的材料；
41.所述的沟道层可以为单层石墨烯、双层石墨烯以及多层石墨烯等；
42.所述的栅介质层在所述源电极和漏电极上方，厚度为10～50nm，材料为二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)等其中的一种；
43.所述的多栅电极分为第一子电极和第一子连接电极，所述的第一子电极位于所述的源电极和漏电极的正中间，所述的第一子电极在垂直衬底的投影方向与所述的源电极和漏电极不相交，所述的第一子连接电极将第一字电极连接起来，所说的第一子连接电极垂直在第一子电极的正中央。
44.所述的多栅电极为复合电极，厚度在10～50nm之间，材料可以为cr、ti等作为粘附层材料，au、pt等作为导电材料；
45.本实施例1中，上述的多栅极石墨烯场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
46.利用微纳加工工艺，在所述的衬底上方制备si3n4，作为钝化层；在钝化层上形成源电极和漏电极；在金属箔上生长石墨烯薄膜，转移至源电极和漏电极上作为沟道层；在沟道层上沉积二氧化硅，作为栅介质层；在sio2栅介质层上溅射顶部多栅电极。
47.其中，利用等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)、化学气相沉积法(cvd)在所说的衬底上方制备si3n4，制备厚度为100-300nm，采用光刻、刻蚀等工艺对si3n4进行图形化；
48.所述的单层石墨烯、双层石墨烯以及多层石墨烯等采用化学气相沉积、机械剥离或氧化还原法等方法制备，通过pmma湿法或者干法转移至所述的源电极和漏电极；
49.利用pecvd、pvd、cvd等方法在所述的衬底上方制备sio2，制备厚度为10-50nm，采用光刻工艺、刻蚀工艺对sio2进行图形化；
50.通过光刻工艺、溅射工艺和剥离工艺在所说的沟道层上方形成多栅电极，由粘附层cr和导电电极au构成。
51.实施例2
52.本实施例2中，提供一种多栅极石墨烯场效应晶体管型光电传感器，包括；衬底，所述衬底的上设置有钝化层，所述钝化层上设置有源电极和漏电极，所述源电极和漏电极为叉指电极，所述源电极和漏电极上设置有沟道层，所述沟道层上方设置有栅介质层，所述栅介质层上方设置有多栅电极。
53.所述的多栅电极分为第一子电极和第一子连接电极，所述的第一子电极位于所述的源电极和漏电极的正中间，所述的第一子电极在垂直衬底的投影方向与所述的源电极和漏电极不相交，所述的第一子连接电极将第一字电极连接起来，所说的第一子连接电极垂直在第一子电极的正中央。
54.所述衬底为绝缘衬底，可以为刚性衬底如硅、碳化硅、蓝宝石等，或者柔性衬底如pet、pdms等。所述的钝化层厚度的10～50nm，材料为氮化硅(si3n4)、六方氮化硼(h-bn)等材料中的一种，其采用化学气相沉积、原子束沉积法、蒸镀等方法制备；所述的源电极和漏电
极为复合电极，厚度在10～50nm之间，铬(cr)、钛(ti)等可以作为粘附层材料，金(au)、铂(pt)等可以作为导电材料；所述的沟道层可以为单层石墨烯、双层石墨烯以及多层石墨烯等；所述的栅介质层在所述源电极和漏电极上方，厚度为10～50nm，材料为二氧化硅(sio2)、氧化铝(al2o3)、氧化铪(hfo2)等其中的一种。所述的多栅电极为复合电极，厚度在10～50nm之间，材料可以为cr、ti等作为粘附层材料，au、pt等作为导电材料。
55.本实施例2中，上述的多栅极石墨烯场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
56.利用微纳加工工艺，在所述的衬底上方制备si3n4，作为钝化层；在钝化层上形成源电极和漏电极；在金属箔上生长石墨烯薄膜，转移至源电极和漏电极上作为沟道层；在沟道层上沉积二氧化硅，作为栅介质层；在sio2栅介质层上溅射顶部多栅电极。
57.其中，利用等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)、化学气相沉积法(cvd)在所说的衬底上方制备si3n4，制备厚度为100-300nm，采用光刻、刻蚀等工艺对si3n4进行图形化；通过光刻工艺、电子束蒸发镀膜工艺和剥离工艺在所说的沟道层上方形成源电极和漏电极，所述的源电极为cr和au构成的复合电极，所述的漏电极为cr和pt构成的复合电极，其厚度在10-50nm之间；所述的单层石墨烯、双层石墨烯以及多层石墨烯等采用化学气相沉积、机械剥离或氧化还原法等方法制备，通过pmma湿法或者干法转移至所述的源电极和漏电极；利用pecvd、pvd、cvd等方法在所述的衬底上方制备sio2，制备厚度为10-50nm，采用光刻工艺、刻蚀工艺对sio2进行图形化；通过光刻工艺、溅射工艺和剥离工艺在所说的沟道层上方形成多栅电极，由粘附层cr和导电电极au构成。
58.实施例3
59.参考图1，本实施例3中，提供多栅极石墨烯场效应晶体管，所述的多栅极石墨烯场效应晶体管包括衬底101、钝化层201、源电极301和漏电极302、石墨烯沟道层401、二氧化硅栅介质层501以及多栅电极中的第一子电极601和第一子连接电极602。
60.其中，所述的衬底101上方为钝化层201，所述的钝化层201上方为与源电极301和漏电极302，所述的源电极301和漏电极302上方为石墨烯沟道层401，所述的石墨烯沟道层401上方为栅介质层501，所述的栅介质层501上方为多栅电极601和602。
61.如图2和图3所示，本实施3中提供上述的多栅极石墨烯场效应晶体管的制备方法，其制备流程如下：
62.步骤一、在清洗干净后的四寸n型硅片上利用pecvd沉积200nm厚的si3n4，利用光刻(正胶)工艺和刻蚀工艺对si3n4进行图形化，长为410μm，宽为100μm；
63.步骤二、通过光刻(负胶)工艺、溅射工艺以及剥离工艺，在si3n4钝化层上分别溅射源电极和漏电极，源电极的材料为cr/au，漏电极的材料为cr/pt，其中cr的厚度为5nm，au和pt的厚度为30nm，源电极和漏电极的总长为410μm，宽为75μm，其中叉指电极的长为60μm，宽为5μm，间隔为40μm，叉指个数为10；
64.步骤三、将cvd生长在cu箔上的石墨烯利用pmma湿法转移到源电极和漏电极的上方，利用光刻(正胶)工艺和刻蚀工艺对石墨烯进行图形化，石墨烯导电沟道的长为410μm，宽为60μm；
65.步骤四、在石墨烯导电沟道上形成sio2栅介质层；利用pecvd沉积30nm的sio2，之后在利用光刻(正胶)工艺、刻蚀工艺，图形化后长为410μm，宽为60μm；
66.步骤五、利用光刻(负胶)工艺、溅射工艺以及剥离工艺制备多栅电极，制备厚度
10/50nm的复合电极cr/au，其中第一子电极的长为50μm，宽为5μm，个数为19个，第一子连接电极的长为410μm，宽为5μm。
67.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。