基于量子點(diǎn)摻雜柵絕緣層的新型高性能光調(diào)制薄膜晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光調(diào)制薄膜晶體管器件中有源層/接觸層，光感應(yīng)柵絕緣層，平面的透明源、漏、柵電極的結(jié)構(gòu)及其制備方法，該薄膜晶體管除了具備傳統(tǒng)的源、漏、柵三個(gè)調(diào)制端電極外還具備對(duì)入射光的調(diào)制響應(yīng)特性，因此將入射光作為第四個(gè)光調(diào)制終端。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，傳統(tǒng)具備光調(diào)制功能的光電薄膜晶體管通常需要將分立的光電探測(cè)元件與電信號(hào)讀取的薄膜晶體管合成在一起。這種結(jié)構(gòu)一方面會(huì)造成器件的制備工藝非常復(fù)雜，成本昂貴。另一方面以光電二極管與光電金屬氧化物半導(dǎo)體(Metal OxideSemiconductor，M0S)管為代表的傳統(tǒng)光電探測(cè)元件尺寸巨大，光電轉(zhuǎn)換效率也比較低下，甚至需要集成復(fù)雜的外圍電路來(lái)匹配光電探測(cè)元件與信號(hào)讀取的薄膜晶體管。正是由于這一系列難以解決的技術(shù)瓶頸，限制了光電薄膜晶體管陣列的分辨率，也使得市場(chǎng)化的產(chǎn)品普遍體積較大，重量較重難以適應(yīng)未來(lái)在該領(lǐng)域平板化，透明化，柔性化的技術(shù)需求。
[0003]因此，將只具備電信號(hào)讀取功能的薄膜晶體管直接制備為兼具光電調(diào)制能力的光薄膜晶體管是解決這一難題的最佳選擇。長(zhǎng)期以來(lái)即使傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料具備包括低吸收率，窄探測(cè)波段等一系列缺陷，科學(xué)家們依舊利用巧妙的器件結(jié)構(gòu)和制備工藝設(shè)計(jì)出了基于硅，氧化鋅和碳材料的光調(diào)制的薄膜晶體管。特別是2012年劍橋大學(xué)與三星公司開發(fā)的摻雜銦鎵元素的氧化鋅(IGZO)光調(diào)制薄膜晶體管，具備一定的光電調(diào)制能力。但是因?yàn)檠趸\基材料無(wú)法克服的副作用-光阻塞效應(yīng)，使得IGZO薄膜晶體管探測(cè)速度極慢(幾十秒)。必須設(shè)計(jì)相應(yīng)新的同步脈沖電路來(lái)提高探測(cè)速度從而失去了其與傳統(tǒng)光調(diào)制薄膜晶體管相區(qū)別的優(yōu)勢(shì)。
[0004]但是如今隨著低維納米材料的高速發(fā)展，為解決這些技術(shù)瓶頸提供了更好的技術(shù)方案。特別是零維納米材料-量子點(diǎn)，其具備了波段方便可調(diào)，光吸收效率較強(qiáng)等一系列獨(dú)特的光電特性。本發(fā)明提供了一種將量子點(diǎn)材料集成于微電子器件中的工藝方法，并實(shí)現(xiàn)了其與光調(diào)制薄膜晶體管器件制備工藝的高效兼容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對(duì)傳統(tǒng)光電薄膜晶體管中的技術(shù)難點(diǎn)，本發(fā)明目的在于提出一種將具備獨(dú)特光電特性的量子點(diǎn)材料摻雜入柵絕緣電介質(zhì)中的光調(diào)制薄膜晶體管結(jié)構(gòu)及其制備工藝。該光調(diào)制薄膜晶體管器件制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，性能穩(wěn)定，可拓展性好。該結(jié)構(gòu)可以提供包括入射光在內(nèi)的四端調(diào)制功能，并且能夠具備寬波段探測(cè)，高效率光電轉(zhuǎn)換，快光電探測(cè)速度等優(yōu)勢(shì)。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):基于量子點(diǎn)摻雜柵絕緣層的新型高性能光調(diào)制薄膜晶體管，包括基底，有源層，源漏極接觸層，柵絕緣層，源電極，漏電極和柵電極，所述源電極和漏電極分別通過(guò)導(dǎo)通孔與源漏極接觸層接觸;所述柵絕緣層為采用量子點(diǎn)摻雜絕緣材料的柵絕緣層。
[0007]上述晶體管的制備方法包括:
[0008](I)在基底上首先沉積晶體管器件的有源層，其次在有源層表面制備器件的源漏極接觸層，并在源漏極接觸層上形成溝道，分成源極接觸部分和漏極接觸部分；
[0009](2)在已形成溝道的整個(gè)基底之上制備采用量子點(diǎn)摻雜絕緣材料的柵絕緣層；
[0010](3)在顯微鏡下，首先在柵絕緣層的表面光刻出導(dǎo)通孔圖案，再刻蝕出柵絕緣層的導(dǎo)通孔，露出連接源電極和漏電極的開口部；
[0011](4)最后在柵絕緣層上沉積電極，并除去多余的電極，形成覆蓋在器件接觸層導(dǎo)通孔處的源電極與漏電極，以及覆蓋在器件溝道位置的柵電極。
[0012]上述的晶體管，其中量子點(diǎn)材料以及量子點(diǎn)粒徑的尺寸選取會(huì)影響器件的光吸收效率與探測(cè)波段的范圍，因此優(yōu)選采用光吸收率較高，光響應(yīng)波段較寬的粒徑約為6nm的PbS量子點(diǎn)。然而不限于此，也可以選用其他粒徑的PbS量子點(diǎn)和其他通用的砸化鎘或碲化鎘量子點(diǎn)，硫化銅或娃鍺量子點(diǎn)。
[0013]上述的晶體管，襯底材料可采用玻璃基底，還可以采用硅、藍(lán)寶石、氮化鎵、碳化硅、砷化鎵等通用的半導(dǎo)體基底材料。
[OOM]上述的晶體管，有源層可采用本例中低壓化學(xué)氣相沉積法(Low PressureChemical Vapor Depos it 1n，LPCVD)制備多晶娃薄膜外也可以通過(guò)派射法、蒸鍍法、激光輔助沉積法、原子層沉積法中的一種或者幾種制備無(wú)定形硅、微晶硅、單晶硅、氧化鋅、銦鎵氧化鋅等有源層。
[0015]上述的晶體管，可以利用具備高導(dǎo)電率和短化學(xué)鍵的有機(jī)配位基材料包裹住無(wú)機(jī)的量子點(diǎn)并促使其分散于Su8或其它有機(jī)光膠(如PMMA)中形成光感應(yīng)絕緣層。其中該量子點(diǎn)混合溶液的濃度在lmg/ml?3mg/ml.
[0016]作為一種可選方案，在步驟(2)中，利用量子點(diǎn)摻雜柵絕緣層的方法，可以采用先沉積量子點(diǎn)材料再在量子點(diǎn)層上覆蓋柵絕緣材料的制備工藝，該器件結(jié)構(gòu)如圖2.(a)所示。該制備工藝適用于所有通用的無(wú)機(jī)與有機(jī)柵絕緣電介質(zhì)材料。特別針對(duì)二氧化硅(S12),氮化硅(Si3N4),氮化鋁(AlN)等無(wú)法與量子點(diǎn)直接混合的無(wú)機(jī)固態(tài)絕緣材料，該方案可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)材料對(duì)其的摻雜。
[0017]作為另一種優(yōu)選方案，步驟(2)中，利用量子點(diǎn)摻雜柵絕緣層的方法，特別針對(duì)有機(jī)液態(tài)絕緣材料例如Su8，PMMA等，可以將其與量子點(diǎn)混合，再利用超聲振蕩器在室溫下超聲攪拌15分鐘使得量子點(diǎn)材料均勻分散在有機(jī)光膠之中。最后通過(guò)旋涂，打印等工藝直接將該混合分散溶液噴涂在基板上，該器件結(jié)構(gòu)如圖2.(b)所示。與前一種方案相比，該優(yōu)選方案的優(yōu)勢(shì)是能夠形成穩(wěn)定均勻的柵絕緣層。
[0018]制備該光調(diào)制薄膜晶體管可以采用底柵極或頂柵極等不同的薄膜晶體管結(jié)構(gòu)。與本例中的步驟次序不同的是，底柵極結(jié)構(gòu)的光調(diào)制薄膜晶體管，需要先沉積柵電極，再在柵電極上制備量子點(diǎn)摻雜的柵絕緣層，最后再完成晶體管的源、漏、柵電極的制備。
[0019]作為一種優(yōu)選方案，在步驟(3)中，利用掩膜版上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與高精度光刻機(jī)在前述的柵絕緣層的表面，光刻出用以連接器件接觸層與后述透明電極間的導(dǎo)通孔圖案。隨后利用RIE干刻蝕技術(shù)，使用氧等離子體刻蝕出柵絕緣層的導(dǎo)通孔，最后再完成晶體管源、漏、柵電極的制備。與前述晶體管結(jié)構(gòu)的制備工藝相比，該優(yōu)選方案的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以避免沉積有源層或接觸層時(shí)，所需要的高溫高壓的制備條件對(duì)量子點(diǎn)摻雜的光感應(yīng)柵絕緣層中有機(jī)絕緣材料以及包裹量子點(diǎn)的有機(jī)配位基材料的破壞。其次如圖4(c)所示，該方案利用AZO氧化物透明電極材料覆蓋于器件溝道之上也起到了隔絕氧氣、水等外界因素對(duì)敏感的光感應(yīng)有機(jī)柵絕緣層的破壞，在一定程度上提高了器件的工作穩(wěn)定性和壽命。
[0020]本發(fā)明的晶體管結(jié)構(gòu)中，源、漏、柵透明電極位于器件頂端的同一平面內(nèi)，其中源(漏)極通過(guò)柵絕緣層中的導(dǎo)通孔通道直接與接觸層導(dǎo)通。在光照的條件下源漏電極間會(huì)產(chǎn)生額外響應(yīng)的光電流，而同時(shí)通過(guò)改變柵電壓并進(jìn)而改變光感應(yīng)柵絕緣層中的內(nèi)嵌電場(chǎng)分布，調(diào)制器件的光電響應(yīng)增益并最終輸出該光電信號(hào)。因此該結(jié)構(gòu)可以在單個(gè)光電薄膜晶體管內(nèi)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的探測(cè)與電信號(hào)的讀取。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0021]本發(fā)明采用量子點(diǎn)摻雜的柵絕緣層作為薄膜晶體管的感光層，相比需要將分立的光電探測(cè)元件與電信號(hào)讀取的薄膜晶體管合成在一起的傳統(tǒng)光電薄膜晶體管，本發(fā)明利用摻雜了量子點(diǎn)的薄膜晶體管柵絕緣層制備出兼具光電探測(cè)與信號(hào)讀取功能的光調(diào)制薄膜晶體管，大大簡(jiǎn)化了光調(diào)制薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)與制備工藝，縮小了器件的尺度并提高了光電探測(cè)的性能。這種光調(diào)制薄膜晶體管可以提供具備寬波段探測(cè)(0.65μπι?1.4μπι)，在紅外光波段同時(shí)具備高光響應(yīng)度(>12.5A/W)，超快光電探測(cè)速度(<10ms)。該器件結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，成本低廉能夠與微電子工藝兼容。
【附圖說(shuō)明】
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