一种双极型近红外光敏场效应管及其制备方法与流程

1.本发明涉及场效应管技术领域，特别是涉及一种双极型近红外光敏场效应管及其制备方法。


背景技术：

2.随着光电集成产业的快速发展，在光通信、生物光子学、图像传感等领域对近红外光探测器的性能都提出了更高的要求。其中，近红外光敏场效应晶体管是光电探测器的一种，与同样是光电探测器家族成员的光电二极管相比，具有场效应特性的光敏场效应管集成了光信号的探测和放大功能，具有更高的灵敏度、更低的噪声和更宽的响应频谱。
3.与传统无机场效应管相比，有机双极型场效应管可以传输两种载流子，具有便于提高集成度、易于调节性能、可大面积低成本制造等优点。双极型有机场效应管普遍表现为：在正栅压下传输电子载流子和在负栅压下传输空穴载流子。分别选用p型和n型有机半导体材料作为异质结有源层材料，调控膜厚比例，即能实现平衡双极输运。
4.在种类繁多的有机半导体材料中，仅有少数窄带隙有机半导体材料对红外光响应，并且其工作波段都在1000nm以下，这极大地限制了有机光敏场效应管在近红外波段的应用。因此，能够在1000nm以上近红外波段工作的光敏场效应管是研究者们迫切需要解决的问题。
5.本发明中，有机小分子材料2t-nata的最高占据分子轨道(homo)能级约为-5.0ev，无机氧化物v2o5具有较高的电负性，其得电子能力较强且导带底较深(-4.7ev)。因此，由2t-nata和v2o5组成的超晶格体系中，由于受体v2o5的导带底非常靠近给体的homo能级，光照后电子易获得能量从2t-nata的homo能级跃迁到v2o5导带中，即电荷在分子间子带隙跃迁，形成电荷转移复合物(charge-transfer complex,ctc)。v2o5/2t-nata光敏层分子间的子带隙约为0.3ev，该光敏层对波长在1000-1400nm范围内的近红外光有较强的吸收，这一波长范围包含1310nm光纤通信窗口。结果表明由v2o5/2t-nata作为光敏层在光纤通信和红外探测方面具有潜在的应用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双极型近红外光敏场效应管及其制备方法，制备方法成熟、生产成本低，所得场效应管不仅结构简单、具有双极型场效应特性和较高的稳定性，还可以对波长1000-1400nm范围内的近红外光有较高的光响应度，在光纤通信、生物医疗、红外探测和成像等方面具有潜在的应用价值。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种双极型近红外光敏场效应管，该场效应管包括基底、异质结有源层、近红外光光敏层、源/漏电极层，所述基底为包含300nm厚度二氧化硅的晶向100的重掺杂n型硅片，所述异质结有源层为p型有机小分子酞氰铜薄膜和n型有机小分子全氟酞氰铜薄膜，所述近红外光光敏层为多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜，所述源/漏电极层材料为金，所述异
质结有源层、近红外光光敏层和源/漏电极层均通过真空蒸发法逐步沉积在基底上。
9.所述酞氰铜薄膜与全氟酞氰铜薄膜的膜厚比为1:3。
10.所述酞氰铜薄膜的厚度为20-30nm，所述全氟酞氰铜薄膜的厚度为60-90nm，所述异质结有源层的总膜厚为80-120nm。
11.所述近红外光光敏层材料2t-nata和v2o5的质量比为2:1。
12.所述近红外光光敏层由v2o5薄膜和2t-nata薄膜交替沉积制成，其总厚度为35-45nm。
13.所述近红外光光敏层中各周期的v2o5薄膜和2t-nata薄膜的膜厚分别为1nm和2.5nm。
14.所述近红外光光敏层具有10-13个超晶格周期。
15.所述源/漏电极层结构为叉指形状，以金作为电极材料，沟道长度为25um，沉积厚度为40-50nm。
16.一种双极型近红外光敏场效应管的制备方法，包括以下步骤：
17.(a)在真空度优于8
×
10-4
pa及维持干净基底温度为室温18-28℃的条件下，于基底表面沉积酞氰铜薄膜；
18.(b)加热基底，使基底保持在110-130℃，并于酞氰铜薄膜表面沉积全氟酞氰铜薄膜，制得异质结有源层；沉积过程中，通过石英晶振膜厚仪精确监控材料的厚度，使酞氰铜和全氟酞氰铜的膜厚比为1:3，总膜厚控制在80-120nm；
19.(c)待步骤(b)后所得材料冷却恢复至室温，蒸镀多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜，即在异质结有源层上交替沉积2.5nm的2t-nata薄膜和1nm的v2o5薄膜，从而制得近红外光光敏层；蒸镀过程中，通过石英晶振膜厚仪精确监控两种材料的蒸发速率；
20.(d)利用叉指形状掩膜版并采用真空蒸镀的方法沉积40-50nm的金薄膜，得到源/漏电极层，作为探测器的源极和漏极。
21.本发明的有益效果是：
22.(1)本发明提供的异质结有源层采用p型材料酞氰铜(cupc)与n型材料全氟酞氰铜(f
16
cupc)实现了平衡的双极载流子输运。
23.(2)本发明提供的近红外光敏层v2o5/2t-nata利用分子间的电荷转移吸收，实现了1000-1400nm范围内红外光的高效吸收，拓宽了有机近红外光探测器的材料选择范围，表现出在有机光纤通信、生物医疗和红外探测方面的潜在优势。
24.(3)本发明提供的双极型近红外光敏场效应管可在室温下工作，无需低温冷却，具有较高的稳定性，并且具有器件结构简单，制备方法成熟，生产成本低等优点。
附图说明
25.图1所示为本发明实施例1所制备的双极型近红外光敏场效应管的结构示意图。
26.图2所示为本发明实施例1所制备的双极型近红外光敏场效应管的异质结有源层及近红外光光敏层的紫外-可见-近红外吸收光谱。
27.图3所示为本发明实施例1所制备的双极型近红外光敏场效应管在不同光照强度下、栅压为
±
100v时的输出特性曲线。
28.图中：基底1、异质结有源层2、酞氰铜薄膜21、全氟酞氰铜薄膜22、近红外光光敏层
3、源/漏电极层4。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
30.实施例1
31.如图1所示，本发明提供的双极型近红外光敏场效应管包括基底1、异质结有源层2、近红外光光敏层3、源/漏电极层4。为了与硅基光电集成器件兼容，基底1材料采用包含300nm二氧化硅的重掺杂n型(100)硅片。所述异质结有源层2为p型有机小分子酞氰铜薄膜21和n型有机小分子全氟酞氰铜薄膜22，所述近红外光光敏层3为多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜，所述源/漏电极层4材料为金，所述异质结有源层2、近红外光光敏层3和源/漏电极层4均通过真空蒸发法逐步沉积在基底1上。
32.本实施例中，采用真空蒸镀法来制备双极型近红外光敏场效应管。
33.首先，基底1材料选取。选择热氧化法生长300nm氧化硅硅片作为基底1材料，方便与硅基光电器件集成。
34.其次，清洗基底1材料。将基底1材料分别用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15分钟；高纯氮气吹干后送进真空烘箱烘烤20分钟使表面残留水分完全去除，随后进行10分钟等离子体清洗；全部处理完成后，立即送入蒸发室。
35.然后，进行真空蒸镀。蒸发材料分别选用纯度为95％的酞氰铜、纯度为98％的全氟酞氰铜、纯度为99％的2t-nata及纯度为99.6％的v2o5粉末和纯度为99.999％的金丝。制备时，基底1在沉积全氟酞氰铜时加温至110-130℃，其余材料的沉积均维持室温18-28℃；沉积红外光光敏层4多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜是采用交替沉积的方法；在整个蒸发过程中均保持3转/分钟的慢速均匀旋转；通过石英晶振膜厚仪探头监控蒸发速率及薄膜厚度。
36.双极型近红外光敏场效应管的具体制备步骤为：按照上述方法清洗基底1，在真空度优于8
×
10-4pa(≥8
×
10-4pa)条件及维持干净基底1在室温条件下，于基底1表面沉积酞氰铜薄膜21。之后加热基底1，使基底1保持在120℃，于酞氰铜薄膜21表面沉积全氟酞氰铜薄膜22，从而制得异质结有源层2，制备时通过石英晶振膜厚仪精确监控材料的厚度，使酞氰铜薄膜21和全氟酞氰铜薄膜22的膜厚比为1:3，酞氰铜薄膜21的厚度控制为20-30nm，全氟酞氰铜薄膜22的厚度控制为60-90nm，异质结有源层2的总膜厚控制在80-120nm。之后待衬底冷却恢复为室温，蒸镀多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜，即在异质结有源层2上交替沉积2.5nm的2t-nata薄膜和1nm的v2o5薄膜，以制得近红外光光敏层3，制备时通过石英晶振膜厚仪精确监控两种材料的蒸发速率，控制多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜中v2o5和2t-nata质量比为1:2，多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜的总膜厚为35-45nm，多层超晶格结构v2o5/2t-nata复合薄膜的周期为10-13个。上述所有薄膜在蒸镀过程中均保持3转/分钟慢速旋转，保证沉积薄膜的均匀性。最后，利用叉指形状掩膜版采用真空蒸镀的方法沉积40-50nm的金薄膜，制得源/漏电极层4，作为探测器的源极和漏极，该器件沟道长度为25um。
37.如图2所示，与2t-nata和v2o5单层薄膜相比，近红外光光敏层3多层超晶格结构v2o5/2t-nata在1000-1400nm红外光范围内有明显的吸收。这并非来源于两种混合材料自
身，而是来自于2t-nata和v2o5分子间的电荷转移吸收。并且，酞氰铜薄膜21和全氟酞氰铜薄膜22并不会影响近红外光光敏层3在1000-1400nm波长范围内的吸收。
38.如图3所示，本发明提供的双极型近红外光敏场效应管在1310nm近红外光照下，栅压为
±
100v时的输出特性曲线。由图3可以看出该器件未加光照时具有平衡的双极载流子输运特性。近红外光照下，器件随入射光功率的增加，表现出平衡的双极光敏特性。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。