基于石墨烯碳納米管復合吸收層的紅外光探測晶體管制造技術

本發明專利技術提供了一種基于石墨烯碳納米管復合吸收層的紅外光探測晶體管。該晶體管包括自下而上依次設置的柵極金屬層、襯底、柵極介質層、石墨烯/碳納米管復合吸收層；所述石墨烯/碳納米管復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，并且，至少一層石墨烯層與所述柵極介質層接觸，所述石墨烯層的兩端分別設有源極、漏極，所述石墨烯/碳納米管復合吸收層中的碳納米管層設于所述源極、漏極之間，且所述碳納米管層不與所述源極、漏極接觸。本發明專利技術提供的紅外光探測晶體管對紅外光敏感，可應用于有線或無線通訊、感測和監控等領域。

【技術實現步驟摘要】
基于石墨烯碳納米管復合吸收層的紅外光探測晶體管
本專利技術有關于一種基于石墨烯碳納米管復合吸收層的紅外光探測晶體管，屬于紅外光探測

技術介紹
隨著紅外光探測技術在軍事、民用等領域的廣泛應用，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換性能，將紅外輻射的光子信號轉換為電子信號，與外電路相結合達到檢測紅外光信號的目標。石墨烯是一種碳原子以sp2雜化軌道按苯環形式排列的單原子層薄膜，其具有傳統材料無法比擬的優點：襯底上石墨烯室溫時的電子遷移率可達60000cm2/V·s。更重要的是，石墨烯由于線性能帶色散關系，對紫外到中紅外的光都能夠具有顯著吸收，是優秀的寬帶吸光材料。且由于石墨烯是一種只有一個碳原子層厚度的二維薄膜，當其表面有其他材料時，石墨烯的電導對其他材料的光生載流子的靜電擾動非常敏感。依據光選擇效應(Photogatingeffect)，有望采用石墨烯制備超高增益光探測器。此外，盡管石墨烯很薄，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研究組(Bae,S.,H.Kim,etal.(2010)."Roll-to-rollproductionof30-inchgraphenefilmsfortransparentelectrodes."Naturenanotechnology5(8):574-578)報道實現了30inch石墨烯的制備轉移。這一優勢有望使得石墨烯基器件集成于成熟的Si基集成電路上，進而應用于集成光電子電路，更有利于圖像識別與遠程控制，且可縮小光探測設備體積。然而，由于石墨烯很薄，其吸光率只有約2.3％，導致石墨烯的本征光響應低(≤1×10-2mA·W-1)。有研究組優化了器件的結構設計，如：制備具有5×5mm2光吸收面積的石墨烯基p-n垂直異質結(Kim,C.O.etal.Highphotoresponsivityinanall-graphenep-nverticaljunctionphotodetector.Nat.Commun.5:3249doi:10.1038/ncomms4249(2014))，使其光響應達到了0.4-1mA·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,etal.(2014)."Graphenephotodetectorswithultra-broadbandandhighresponsivityatroomtemperature."Naturenanotechnology9:273-278)，實現了超寬波長范圍光探測(532nm-3200nm)，其光響應也能達到1A·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石墨烯基光子探測器件的一個重要途徑。2011年Duan研究組(LiuY.etal.Plasmonresonanceenhancedmulticolourphotodetectionbygraphene.Nat.Commun.2:579doi:10.1038/ncomms1589(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，其光響應達到幾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。2012年FrankH.L.Koppens研究組(Konstantatos,G.,M.Badioli,etal.(2012)."Hybridgraphene-quantumdotphototransistorswithultrahighgain."Naturenanotechnology7(6):363-368)使用膠體量子點為光吸收層，石墨烯作為光生載流子遷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，器件光響應高達1×107A·W-1，只是半導體材料PbS量子點的光譜吸收特性決定了器件的響應光譜范圍，導致器件光譜響應范圍窄。
技術實現思路
為解決上述技術問題，本專利技術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合吸收層，能夠降低紅外光探測器的暗電流并提高其響應度。本專利技術的目的還在于提供含有上述紅外光探測晶體管的設備。為達到上述目的，本專利技術首先提供了一種基于石墨烯碳納米管復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置的柵極金屬層、襯底、柵極介質層、石墨烯/碳納米管復合吸收層；所述石墨烯/碳納米管復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層接觸，所述石墨烯層的兩端分別設有源極、漏極，所述石墨烯/碳納米管復合吸收層中的碳納米管層設于所述源極、漏極之間。在上述紅外光探測晶體管中，石墨烯/碳納米管復合吸收層中的石墨烯層和碳納米管層的上下順序可以調整，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。碳納米管在紅外波段有寬的響應波長范圍，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，本專利技術利用碳納米管的這一特性通過改變碳納米管的微觀參數改變探測器的探測范圍，從而實現探測器的最敏感波長控制。本專利技術便是采用碳納米管作為石墨烯/碳納米管復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π-π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良的電學性質，載流子在碳納米管中的傳輸比半導體量子點中的傳輸速率將更快，因此，器件的響應速率會更高。總之，本專利技術所提供的器件具有比傳統紅外探測器件更高的光響應，更靈活的探測波長范圍，更高的增益，更快的響應速度。而且，由于碳納米管和石墨烯的大規模制備技術趨于成熟，本專利技術的器件可進行規模化制備，成本也將更低。根據本專利技術的具體實施方案，優選地，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、半導體性碳納米管等中的一種或幾種的組合。根據本專利技術的具體實施方案，優選地，在上述紅外光探測晶體管中，所述碳納米管層的厚度為1-20nm。根據本專利技術的具體實施方案，優選地，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的導電材料。更優選地，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。根據本專利技術的優選實施方案，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。根據本專利技術的具體實施方案，優選地，在上述紅外光探測晶體管中本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于石墨烯碳納米管復合吸收層的紅外光探測晶體管，其中，該晶體管包括自下而上依次設置的柵極金屬層、襯底、柵極介質層、石墨烯/碳納米管復合吸收層；所述石墨烯/碳納米管復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，并且，至少一層石墨烯層與所述柵極介質層接觸，所述石墨烯層的兩端分別設有源極、漏極，所述石墨烯/碳納米管復合吸收層中的碳納米管層設于所述源極、漏極之間，且所述碳納米管層不與所述源極、漏極接觸。

【技術特征摘要】
2014.06.16 CN 20141026559911.一種基于石墨烯碳納米管復合吸收層的紅外光探測晶體管，其中，該晶體管包括自下而上依次設置的柵極金屬層、襯底、柵極介質層、石墨烯/碳納米管復合吸收層；所述石墨烯/碳納米管復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；并且，至少一層石墨烯層與所述柵極介質層接觸，所述石墨烯層的兩端分別設有源極、漏極，所述石墨烯/碳納米管復合吸收層中的碳納米管層設于所述源極、漏極之間，且所述碳納米管層不與所述源極、漏極接觸；所述碳納米管層的厚度為1-20nm；其中，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、半導體性碳納米管中的一種或幾種的組合；其中，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；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。2.根據權利要求1所述的紅外光探測晶體管，其中，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；所述少層石墨烯的層數小于或等于10層。3.根據權利要求1-2任一項所述的紅外光探測晶體管，其中，所述柵極金屬層包括至少一層金屬層；所述柵極金屬層的總厚度在2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王楓秋，劉遠達，黎遙，徐永兵，張榮，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32