一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管及制备方法技术

本发明专利技术提供一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管及制备方法，属于光探测器与光储能技术领域。包括自下而上设置的硅衬底、IC电路、电路介质层和由多个阵列排布的探测器单元组成的探测器阵列，探测器单元包括自下而上设置的底栅电极、介质层、石墨烯、空穴阻挡层和给体

【技术实现步骤摘要】
一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管及制备方法


[0001]本专利技术属于光探测器与光储能
，具体涉及一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管及制备方法。

技术介绍

[0002]随着近年来人工智能以及大数据的发展，对尺寸更小的各类低能耗逻辑器件和储能器件提出了新的需求，而以二维材料为基础的超薄器件有望打破摩尔定理的限制，成为下一代高速逻辑计算器件和类脑器件的潜在替代者。石墨烯为单原子层的六方晶格材料，归类于狄拉克半金属，其具有的锥状零带隙结构使其能量与动量呈现线性关系，石墨烯因此具有超高的迁移率(室温下超过105cm2/Vs)，可用于制备高速器件。厚度仅为0.35nm的石墨烯具有较低的态密度，通过底部栅极调控实现场效应晶体管上石墨烯费米能级的空穴型或电子型的转变，这些特征使得石墨烯在新一代反向器以及共振隧穿二极管等领域有取代硅的潜力。
[0003]有机太阳能电池领域中的材料体系丰富，其中有机小分子聚合物等材料有着宽阔的能级范围，可选择性大，近年来一直受到广泛关注。为提升有机太阳能电池效率，界面优化，吸收波长拓展等策略被广泛应用，特别是非富勒烯材料的出现将吸收波长拓展到近红外，为制备设计新的高性能红外探测器提供了思路。例如研究人员利用钙钛矿有机异质结制备了高性能红外探测器(Li C,Wang H,Wang F,et al.Ultrafast and broadband photodetectors based on a perovskite/organic bulk heterojunction for large-dynamic-range imaging.Light:Science&Applications,2020,9(1))，研究者还通过改变非富勒烯体系中的活性层厚度提升比探测率，实现超过10
13
Jones的红外探测器(Huang J,Lee J,Vollbrecht J,et al.A High-Performance Solution-Processed Organic Photodetector for Near-Infrared Sensing.Advanced Materials,2019,32(1))。
[0004]在红外探测器的基础上，研究人员提出了具有光记忆功能的探测器件，但是大部分光记忆器件工作在可见光波段，红外波段的光记忆器件极少被报道，如2018年，报道了一种1940nm波段的光记忆器件，但是只能实现带光记忆的红外探测，无法切换到无光记忆功能的红外探测(Wang Q,Wen Y,Cai K,et al.Nonvolatile infrared memory in MoS2/PbS van der Waals heterostructures.Science Advances,2018,4(4))。这种探测器的功能单一，应用有限，因此提供一种可自由切换红外光记忆功能和探测功能的晶体管是十分具有推广意义的。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述问题，提出了一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管及制备方法，具有红外光记忆探测功能，并且通过调节底部栅极电压，在实现光记忆与擦除功能的红外探测的同时，可切换到无记忆功能的红外探测。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，包括自下而上设置的硅衬底、IC电路、电路介质层和由多个阵列排布的探测器单元组成的探测器阵列；其特征在于，所述探测器单元包括自下而上设置的底栅电极、介质层、石墨烯、空穴阻挡层和给体-受体混合薄膜，所述探测器单元还包括位于石墨烯之上、空穴阻挡层两端的金属电极。
[0008]进一步地，所述晶体管的工作波段为400～1500nm。
[0009]进一步地，所述底栅电极的材料为高掺杂半导体材料，厚度为1mm，通过底栅电极的栅压调制，改变石墨烯费米能级的高度，进而实现不同功能的切换。
[0010]进一步地，所述介质层的材料为绝缘氧化物，如氧化铪、氧化铝或氧化硅，厚度与材料介电常数有关，厚度为10～350nm。
[0011]进一步地，所述石墨烯的厚度为单原子层厚度，为0.35nm，单原子层石墨烯态密度小，易受到底部栅极电压的调制，可以减小能耗。
[0012]进一步地，所述空穴阻挡层的材料为氧化锌或氧化锡，厚度小于光生载流子的有效传输距离，确保给体-受体混合薄膜产生的光生载流子可以有效进入石墨烯，产生光响应。
[0013]进一步地，所述空穴阻挡层采用电子阻挡层替换，材料为Pedot：pss。
[0014]进一步地，所述给体-受体混合薄膜的结晶取向为垂直于薄膜平面的方向，利于载流子在垂直方向的传输，所述给体-受体混合薄膜中的受体为近红外非富勒烯受体，给体不限，给体与受体材料的质量比为1：(1～2)，厚度为35～60nm，通过给体-受体混合薄膜的内建电场解离光生激子，得到光生电子和光生空穴。
[0015]进一步地，所述给体-受体混合薄膜为PTB7-Th和IEICO-4F的混合薄膜。
[0016]进一步地，所述金属电极包括金属漏电极和金属源电极，与二者之间的石墨烯构成晶体管的石墨烯导电沟道，所述金属电极的材料为金、银、铝等，厚度为50～100nm。
[0017]一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管的制备方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1：在硅基底上依次制备IC电路和电路介质层，并在电路介质层上形成连接IC电路与探测器单元的阵列排布的凹槽；
[0019]步骤2：在步骤1所得凹槽上制备底栅电极、介质层，并清洗介质层表面；
[0020]步骤3：将石墨烯转移至步骤2所得介质层表面；
[0021]步骤4：在步骤3所得石墨烯表面通过光刻、镀膜工艺制得金属电极；
[0022]步骤5：通过光刻技术，在石墨烯表面露出金属电极之间的区域，即制备空穴阻挡层的区域；
[0023]步骤6：配置空穴阻挡层溶液，在步骤5所得石墨烯表面、金属电极之间的区域上旋涂空穴阻挡层溶液，经退火后得到空穴阻挡层；
[0024]步骤7：配置给体与受体的质量比为1：(1～2)的给体-受体混合溶液，再在步骤6所得空穴阻挡层上旋涂给体-受体混合溶液，经退火后得到给体-受体混合薄膜，最终制得可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管。
[0025]进一步地，步骤2所述清洗的具体过程为依次使用玻璃清洗剂、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗多次，每次15分钟以上。
[0026]进一步地，步骤3中转移的工艺为溶液转移法。
[0027]进一步地，步骤6中所述空穴阻挡层的材料为氧化锌或氧化锡；所述空穴阻挡层溶
液的浓度为100～200mg/ml；旋涂的转速为8000r/min，退火的条件为300℃退火1h。
[0028]进一步地，步骤7中所述给体-受体混合薄膜的受体为近红外非富勒烯受体；所述给体-受体混合溶液中给体和受体的混合浓度为8mg本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，包括自下而上设置的硅衬底、IC电路、电路介质层和由多个阵列排布的探测器单元组成的探测器阵列；其特征在于，所述探测器单元包括自下而上设置的底栅电极、介质层、石墨烯、空穴阻挡层和给体-受体混合薄膜，所述探测器单元还包括位于石墨烯之上、空穴阻挡层两端的金属电极。2.根据权利要求1所述可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，其特征在于，所述石墨烯的厚度为0.35nm。3.根据权利要求1所述可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，其特征在于，所述空穴阻挡层的材料为氧化锌或氧化锡，厚度小于光生载流子的有效传输距离；所述底栅电极的材料为高掺杂半导体材料，厚度为1mm；所述介质层的材料为绝缘氧化物，厚度为10～350nm。4.根据权利要求1所述可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，其特征在于，所述给体-受体混合薄膜中的受体为近红外非富勒烯受体，给体与受体材料的质量比为1：(1～2)，厚度为35～60nm。5.根据权利要求1所述可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，其特征在于，所述空穴阻挡层采用电子阻挡层替换。6.根据权利要求1所述可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管，其特征在于，所述金属电极包括金属漏电极和金属源电极；所述金属电极的材料为金、银或铝，厚度为50～100nm。7.一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管的制备方法，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓扬，韩嘉悦，何泽宇，陶斯禄，王军，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：