一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法

一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体纳米材料与器件领域，特别是一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的发展和社会的进步，人们对于信息存储、传递及其处理的依赖程度日益增加。而半导体器件和工艺技术作为信息的存储、传递及其处理的主要载体和物质基础，现已成为众多科学家争相研宄的热点。薄膜晶体管，作为一种非常重要的半导体器件，在信息存储、传递和处理等领域起着至关重要的作用。然而，截至目前为止，现有大规模使用薄膜晶体管，是一种基于微电子硅工艺的半导体器件。这种传统的基于硅微电子工艺薄膜场效应晶体管存在对设备要求高，制备工艺复杂，成本较高和器件整体性能有限，灵敏度、开关频率和速度有限等问题。并且，随着人们对于高性能薄膜晶体管要求的逐步提升，基于微电子硅工艺的薄膜场效应晶体管已难以满足当今信息社会对高灵敏度、高开关频率和开关速度的薄膜场效应晶体管的需求。
[0003]近年来，纳晶材料或量子点材料因其具有独特的电学、光学量子尺寸效应，为控制材料性能提供了除控制其化学组成之外的另一有效手段。尤其是当半导体量子点胶体通过自组装紧密堆积实现量子限域电子或空穴波函数的有效交叠和重合，将会形成一种新型的“人造固体”，这种人造固体不仅保留了量子点材料性能独特的可调性，同时，这种人造固体半导体材料也具有较高的载流子迀移率和电传导能力。这将为基于低成本、大面积溶液制备技术，实现量子点胶体有效组装，从而制备出新型基于单量子点阵列膜层导电沟道的场效应管提供了可能。此外，由于贵重金属材料表面和界面存在独特的等离子体激元，通过优化贵金属材料结构形状及其隔离层的厚度等，其表面等离子体外界光场或电场可以实现几十倍甚至上千倍剧增，因此，这为通过金属量子点等离子体激元增强光控栅极半导体量子点薄膜晶体管制备提供了一种可能和新思路。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于提供一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于:
51:以硅/ 二氧化硅为衬底，通过旋涂成膜工艺，在该硅/ 二氧化硅衬底上制备金属量子点膜层，并将该金属量子点膜层作为等离子激元增强层；
52:在覆盖有所述金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上制备有机绝缘隔离层；
53:在覆盖有所述金属量子点膜层以及所述有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上制备CdSe量子点膜层，并将该CdSe量子点膜层作为导电沟道；
S4:通过图形化掩膜覆盖蒸镀工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上制备金属电极，且将所述金属电极分别作为源极、漏极；
S5:通过有机物封装制备基于光控量子点膜层导电沟道的薄膜晶体管。
[0006]在本发明一实施例中，，在所述步骤SI中，还包括如下步骤:
511:将包括硝酸银和HAuCl4的金属离子化合物、亚油酸钠、无水乙醇和亚油酸混合搅拌;
512:将混合搅拌后的混合液体，分别通过水热反应、反复去离子水以及无水乙醇高速离心处理，并分散到环己烷，制备金属量子点溶液；
513:将所述硅/ 二氧化硅衬底通过硫酸/双氧水溶液高温清洗，并采用旋涂成膜工艺，将所述金属量子点溶液在所述硅/ 二氧化硅衬底上旋涂成膜，即在所述硅/ 二氧化硅的氧化层表面形成一层金属量子点膜层，制备得覆盖有金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片；
在本发明一实施例中，在所述步骤SI I中，金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=0.3-1.0:1.0-2.0:5-15:0.5-2.5 ;所述混合溶液体积占水热反应釜的40%至60% ;在所述步骤S12中，所述水热反应温度为20°C至200°C ;所述水热反应的处理时间为30min至400min ;金属量子点环己烧溶液中所述金属量子点浓度为10个/cm3至20个/cm3;在所述步骤S13中，所述硅/ 二氧化硅衬底面积为IcmX Icm，且二氧化硅层作为薄膜晶体管绝缘层，厚度为30 nm至300nm ;所述旋涂工艺的转数为1000 rpm至5000rpmo
[0007]在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，还包括如下步骤:
S21:采用旋涂成膜工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，将聚酰胺酸溶液旋涂成膜，并采用阶梯温度热处理将聚酰胺酸聚酰亚胺化，在所述硅/ 二氧化硅样片上制备有机绝缘隔离层。
[0008]在本发明一实施例中，在所述步骤S21中，所述旋涂工艺的转数为100rpm至3000rpm ;所述阶梯温度热处理方式为:120°C/I h、180°C/l h、250°C/I h以及300°C /Ih ;所述有机绝缘隔离层厚度为5nm至30nm。
[0009]在本发明一实施例中，在所述步骤S3还包括以下步骤:
531:将氧化镉粉末、1-十四基磷酸以及三正丁基氧化膦在排空加热条件下混合，制备镉前驱体溶液；在氩气保护下将砸粉末溶于三丁基膦中，制备砸前驱体溶液；在第一温度下，将所述砸前驱体溶液注入所述镉前驱体溶液中进行混合，并降温至第二温度，且以第一时间进行保温；去掉热源，冷却降温至第三温度，并向混合液中注入甲醇溶液，对应获取纳米晶沉淀，并经过离心和清洗获取CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液，完成CdSe量子点溶液的制备；；
532:通过旋涂成膜工艺，在覆盖有金属量子点膜层以及所述有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上将所述CdSe量子点溶液旋涂成膜，形成一层CdSe量子点膜层，制备覆盖有CdSe量子点膜层、有机绝缘隔离层以及金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片。
[0010]在本发明一实施例中，在所述步骤S31中，所述镉前驱体溶液合成制备温度为240°C至360°C ;所述砸前驱体溶液合成制备温度为100°C至220°C ;所述第一温度为250°C至330°C ;所述第二温度为220°C至270°C ;所述第一时间为Imin至20min ;所述第三温度为80°C至140°C;CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液中CdSe量子点浓度为5个/cm3至10个/cm3；在所述步骤S32中，所述旋涂工艺的转数为2000rpm至4000rpm。
[0011]在本发明一实施例中，，在所述步骤S4中，所述金属电极为Cr/Au复合金属电极；所述图形化掩膜覆盖蒸镀工艺为采用图形化的金属掩膜覆盖涂覆有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片样品的表面，然后在其表面进行蒸镀；所述源极和所述漏极面积为200 μ mX 300 μ m，且所述源极与所示漏极间距为 10 μ m 至 50 μ m0
[0012]在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，还包括如下步骤:
S51:采用旋涂成膜工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，将聚酰胺酸溶液旋涂成膜，并采用阶梯温度热处理方式将聚酰胺酸聚酰亚胺化，制备基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管。
[0013]在本发明一实施例中，在所述步骤S51中，所述阶梯温度热处理方式为:120°C /IhU80°C /I h,250°C /I h 以及 300°C /I h。
[0014]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:本发明所提出的种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，提供了一种基于低成本、大面积溶液制备技术，实现金属量子点等离子体激元增强层、有机绝缘隔离层和半导体量子点导电沟道层在硅/ 二氧化硅衬底表面上可控制备，从而制备出一种新型的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管。本发明基于常规的旋涂成膜工艺技术制备出金属量子点等离子体激元增强层、有机绝缘隔离层和半导体量子点导电沟道层，并进一步通过旋涂有机物实现对半导体量子点沟道的有效封装和保护，从而制备出新型的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管。本发明制备方法新颖，制作成本低，制备工艺简单，器件性能灵活可控。所制备的晶体管具有特殊金属量子点等离子体增强层和半导体量子点导电沟道层，可充分利用金属量子点等离子激元对于光场或电场 增强调控效应及其半导体量子点膜层的量子尺寸效应，从而有效提高了光控量子点薄膜晶体管的灵敏度，在新型光电器件中将具有非常重要的应用前景。
【附图说明】
[0015]图1为本发明中硅/ 二氧化硅衬底结构示意图。
[0016]图2为本发明中涂覆了金属量子点膜层后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图。
[0017]图3为本发明中涂覆了金属量子点膜层和有机绝缘隔离层后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图。
[0018]图4为本发明中涂覆了金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层后的硅/二氧化硅衬底结构示意图。
[0019]图5为本发明中涂覆了金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层并镀电极后的硅/二氧化硅衬底结构示意图。
[0020]图6为本发明中封装后的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管结构示意图。
[0021]图7为本发明中基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的工作原理示意图。
[0022]【标号说明】:1_为衬底娃；2_娃表面二氧化娃膜；3_涂覆的金属量子点膜层；4-涂覆形成的有机绝缘隔离层；5_涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层；6_源极电极；7_漏极电极；8_有机绝缘封装层；9_辐照光；10_金属量子点膜层周围光场增强；11_受增强光调控CdSe半导体量子点膜层。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0024]本发明提供一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，按照如下步骤实现:
51:以硅/ 二氧化硅为衬底，通过旋涂成膜工艺，在该硅/ 二氧化硅衬底上制备金属量子点膜层，并将该金属量子点膜层作为等离子激元增强层；
52:在覆盖有所述金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上制备有机绝缘隔离层；
53:在覆盖有所述金属量子点膜层以及所述有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上制备CdSe量子点膜层，并将该CdSe量子点膜层作为导电沟道；
S4:通过图形化掩膜覆盖蒸镀工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上制备金属电极，且将所述金属电极分别作为源极、漏极；
S5:通过有机物封装制备基于光控量子点膜层导电沟道的薄膜晶体管。
[0025]在本实施例中，在所述步骤SI中，还包括如下步骤:
511:将包括硝酸银和HAuCl4的金属离子化合物、亚油酸钠、无水乙醇和亚油酸混合搅拌;
512:将混合搅拌后的混合液体，分别通过水热反应、反复去离子水以及无水乙醇高速离心处理，并分散到环己烷，制备金属量子点溶液；
513:将所述硅/ 二氧化硅衬底通过硫酸/双氧水溶液高温清洗，并采用旋涂成膜工艺，将所述金属量子点溶液在所述硅/ 二氧化硅衬底上旋涂成膜，即在所述硅/ 二氧化硅的氧化层表面形成一层金属量子点膜层，制备得覆盖有金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片；
在本实施例中，在所述步骤Sll中，金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=0.3-1.0:1.0-2.0:5-15:0.5-2.5 ;所述混合溶液体积占水热反应釜的40%至60% ;在所述步骤S12中，所述水热反应温度为20°C至200°C ;所述水热反应的处理时间为30min至400min ;金属量子点环己烧溶液中所述金属量子点浓度为10个/cm3至20个/cm3;在所述步骤S13中，所述硅/ 二氧化硅衬底面积为IcmX Icm，且二氧化硅层作为薄膜晶体管绝缘层，厚度为30 nm至300nm ;所述旋涂工艺的转数为1000 rpm至5000rpmo
[0026]进一步的，在本实施例中，分别按照比例称取包括硝酸银或HAuCl4的含金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=0.3-1.0: 1.0-2.0:5-15:0.5-2.5，随后将其混合溶液倒入反应釜中，并加入适量的去离子水，使混合溶液体积占反应釜总体积的40%-60%，并搅拌混合均匀，在20°C _200°C温度条件下水热反应处理30min-400min，随后将反应产物经反复去离子水、无水乙醇高速离心清洗处理，并将最终产物分散到环己烷中，制备得到相应的金属量子点溶液。
[0027]取IcmX Icm大小、氧化层厚度为30nm-300nm的娃/ 二氧化娃衬底，如图1所示为硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜。将该硅/ 二氧化硅衬底在浓硫酸/少量双氧水溶液中高温清洗30min，并采用1000rpm-5000rpm转速、60s旋涂时间将金属量子点溶液旋涂到清洗后的硅/ 二氧化硅衬底上，在该硅/ 二氧化硅的氧化层表面形成一层金属量子点膜层；如图2所示为涂覆了金属量子点膜层后的硅/ 二氧化硅样片的结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆的金属量子点膜层。
[0028]在本实施例中，在所述步骤S2中，还包括如下步骤:
S21:采用旋涂成膜工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，将聚酰胺酸溶液旋涂成膜，并采用阶梯温度热处理将聚酰胺酸聚酰亚胺化，在所述硅/ 二氧化硅样片上制备有机绝缘隔离层。
[0029]在本实施例中，在所述步骤S21中，所述旋涂工艺的转数为100rpm至3000rpm ；所述阶梯温度热处理方式为:120°C/I h、180°C/l h、250°C/l h以及300°C /I h ;所述有机绝缘隔离层厚度为5nm至30nmo
[0030]进一步的，在本实施例中，称取l_6g聚酰胺酸溶于99_94g 二甲基甲酰胺中，磁力搅拌1-3小时，随后在600W功率下超声分散0.5-1.5小时，形成聚酰胺酸溶液，并采用1000rpm-3000rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到涂覆有一层金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的阶梯温度热处理聚酰亚胺化，即在金属量子点膜层上形成一层有机绝缘隔离层；图3为涂覆了金属量子点层和有机绝缘隔离层后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层。
[0031]在本实施例中，在所述步骤S3还包括以下步骤:
531:将氧化镉粉末、1-十四基磷酸以及三正丁基氧化膦在排空加热条件下混合，制备镉前驱体溶液；在氩气保护下将砸粉末溶于三丁基膦中，制备砸前驱体溶液；在第一温度下，将所述砸前驱体溶液注入所述镉前驱体溶液中进行混合，并降温至第二温度，且以第一时间进行保温；去掉热源，冷却降温至第三温度，并向混合液中注入甲醇溶液，对应获取纳米晶沉淀，并经过离心和清洗获取CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液，完成CdSe量子点溶液的制备；；
532:通过旋涂成膜工艺，在覆盖有金属量子点膜层以及所述有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上将所述CdSe量子点溶液旋涂成膜，形成一层CdSe量子点膜层，制备覆盖有CdSe量子点膜层、有机绝缘隔离层以及金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片。
[0032]在本实施例中，在所述步骤S31中，所述镉前驱体溶液合成制备温度为240°C至3600C ;所述砸前驱体溶液合成制备温度为100°C至220°C ;所述第一温度为250°C至330°C ;所述第二温度为220°C至270°C ;所述第一时间为Imin至20min ;所述第三温度为80°C至1400C ；CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液中CdSe量子点浓度为5个/cm3至10个/cm 3；在所述步骤S32中，所述旋涂工艺的转数为2000rpm-4000rpm。
[0033]进一步的，在本实施例中，分别称取0.0207-0.1028g氧化镉粉末，0.112-0.448g1-十四基磷酸和2.0-1.0g三正丁基氧化膦置入一 50ml三颈烧瓶中，先氩气排空30min-120min,随后氩气保护下加热至240 °C -360 °C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备镉前驱体溶液；随后将镉前驱体溶液反应器混合后并在100°c -130°c真空条件下处理0.5-3小时，再将反应器温度调整至250°C -330。
[0034]分别称取0.0316-0.1264g砸粉、1.0?4.0g三丁基膦置入另一 50ml三颈烧瓶中，随后氩气保护下加热至100-2 2(TC至溶质完全溶解形成透明溶液，制备砸前驱体溶液。
[0035]将砸前驱体溶液迅速注入到镉前驱体溶液中，随后将混合溶液温度降至2200C -270°C，并在此温度下保温lmin-20min ;然后去掉热源，并冷却降温至80°C _40°C时，向混合液中注入甲醇溶液，得到相应的纳米晶沉淀，并经过离心、清洗得到CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液。
[0036]采用1000rpm-5000rpm转速、60s旋涂时间将CdSe半导体量子点溶液旋涂到涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上，从而在其表面形成一层CdSe半导体量子点膜层；如图4所示为涂覆了金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层后的硅/ 二氧化硅样片结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层。
[0037]在本实施例中，在所述步骤S4中，所述金属电极为Cr/Au复合金属电极；所述图形化掩膜覆盖蒸镀工艺为采用图形化的金属掩膜覆盖涂覆有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片样品的表面，然后在其表面进行蒸镀；所述源极和所述漏极面积为200 μηιΧ300 μπι，且所述源极与所示漏极间距为10 μ m至 50 μ m0
[0038]进一步的，在本实施例中，在覆盖有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层的硅/ 二氧化硅衬底样片上采用图形化掩膜覆盖蒸镀工艺形成Cr/Au复合金属电极，分别作为光控量子点薄膜晶体管的源极和漏极；其中源极和漏极面积为200 μ mX 300 μ m，源极与漏极间距为10-50 μ m ;如图5所示为涂覆了金属量子点膜层、有机绝缘隔离膜层和CdSe半导体量子点膜层并镀电极后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极。
[0039]在本实施例中，在所述步骤S5中，还包括如下步骤:
S51:采用旋涂成膜工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，将聚酰胺酸溶液旋涂成膜，并采用阶梯温度热处理方式将聚酰胺酸聚酰亚胺化，制备基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管。
[0040]在本实施例中，在所述步骤S51中，所述阶梯温度热处理方式为:120°C/I h、180°C /I h,250°C /I h 以及 300°C /I h。
[0041]进一步的，在本实施例中，采用1000-3000rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到已经涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层、CdSe半导体量子点膜层和镀电极后的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的阶梯温度热处理聚酰亚胺化，即在CdSe半导体量子点膜层形成一层有机绝缘隔封装保护层；图6为封装后的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层；图7为基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的工作原理示意图。其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层，9为辐照光示意图，10为金属量子点周围光场增强示意图，11为受增强光调控CdSe半导体量子点示意图。
[0042]为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，下面结合具体的实施例进行说明。、
实施例1 (1)分别称取0.0207g氧化镉粉末，0.112g 1-十四基磷酸和2.0g三正丁基氧化膦置入一 50ml三颈烧瓶中，先氩气排空30min，随后氩气保护下加热至240°C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备镉前驱体溶液；随后将镉前驱体溶液反应器混合后并在100°C真空条件下处理0.5小时，再将反应器温度调整至250°C ;
(2)分别称取0.0316g砸粉、1.0g三丁基膦置入另一 50ml三颈烧瓶中，随后氩气保护下加热至100°C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备砸前驱体溶液；
(3)将砸前驱体溶液迅速注入到镉前驱体溶液中，随后将混合溶液温度降至220°C，并在此温度下保温Imin ;然后去掉热源，并冷却降温至80°C时，向混合液中注入甲醇溶液，得到相应的纳米晶沉淀，并经过离心、清洗得到CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液；
(4)分别按照比例称取包括硝酸银或HAuCl4的金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=0.3:1.0:5:0.5，随后将其混合物倒入反应釜中，并加入适量的去离子水，使混合液体积占反应釜总体积的40%-60%，并搅拌混合均匀，在20°C温度条件下热处理30min，随后将反应产物反复去离子水、无水乙醇高速离心清洗处理，最终产物分散到环己烷中获取相应的金属量子点溶液；
(5)取IcmXIcm大小、氧化层厚度为50nm的娃/ 二氧化娃衬底，图1为娃/ 二氧化娃衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜。将该硅/ 二氧化硅衬底在浓硫酸/少量双氧水溶液中高温清洗30min，并采用100rpm转速、60s旋涂时间将金属量子点溶液旋涂到清洗后的硅/二氧化硅衬底上，在氧化层表面形成一层金属量子点膜层；图2为涂覆了金属量子点膜层后的硅/ 二氧化硅样片结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆的金属量子点膜层。
[0043](6)称取Ig聚酰胺酸溶于99g 二甲基甲酰胺中，磁力搅拌I小时，随后在600W功率下超声分散0.5小时，形成聚酰胺酸溶液，并采用100rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到涂覆了一层金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的热处理聚酰亚胺化，即在金属量子点膜层上形成一层有机绝缘隔离层；图3为涂覆了金属量子点膜层和有机绝缘隔离层后的硅/ 二氧化硅样片结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层。
[0044](7)采用100rpm转速、60s旋涂时间将CdSe半导体量子点溶液旋涂到涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上，从而在其表面形成一层CdSe半导体量子点膜层；图4为涂覆了金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层后的硅/ 二氧化硅样片结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层O
[0045](8)在涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层的硅/二氧化硅样片上采用图形化掩膜覆盖蒸镀工艺形成Cr/Au复合金属电极，分别作为光控量子点薄膜晶体管的源极和漏极；其中源极和漏极面积为200 μπιΧ300 μπι，源极与漏极间距为10 μπι ;图5为涂覆了金属量子点层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点层并镀电极后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极。
[0046](9)采用100rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到已经制备了金属量子点膜层、有机绝缘隔离层、CdSe半导体量子点膜层和镀电极后的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的阶梯温度热处理聚酰亚胺化，即在CdSe半导体量子点膜层上形成一层有机绝缘隔封装保护层；图6为封装后的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层；图7为基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的工作原理示意图。其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有 机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层，9为辐照光，10为金属量子点膜层周围光场增强，11为受增强光调控CdSe半导体量子点膜层。
[0047]实施例2
(1)分别称取0.0514g氧化镉粉末，0.224g1_十四基磷酸和1.5g三正丁基氧化膦置入一 50ml三颈烧瓶中，先氩气排空60min，随后氩气保护下加热至300 °C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备镉前驱体溶液；随后将镉前驱体溶液反应器混合后并在120°C真空条件下处理2小时，再将反应器温度调整至315°C ;
(2)分别称取0.0632g砸粉、2.0g三丁基膦置入另一 50ml三颈烧瓶中，随后氩气保护下加热至160°C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备砸前驱体溶液；
(3)将砸前驱体溶液迅速注入到镉前驱体溶液中，随后将混合溶液温度降至250°C，并在此温度下保温1min ;然后去掉热源，并冷却降温至120°C时，向混合液中注入甲醇溶液，得到相应的纳米晶沉淀，并经过离心、清洗得到CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液；
(4)分别按照比例称取包括硝酸银或HAuCl4的金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=2.0:1.5:10:1.5，随后将其混合物倒入反应釜中，并加入适量的去离子水，使混合溶液体积占反应釜总体积的50%，并搅拌混合均匀，在100°C温度条件下热处理200min，随后将反应产物反复去离子水/无水乙醇及其高速离心清洗处理，最终产物分散到环己烷中制备得到相应的金属量子点溶液；
(5)取IcmXIcm大小、氧化层厚度为150nm的娃/ 二氧化娃衬底，图1为娃/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜。将该硅/ 二氧化硅衬底在浓硫酸/少量双氧水溶液中高温清洗30min，并采用3000rpm转速、60s旋涂时间将金属量子点溶液旋涂到清洗后的硅/ 二氧化硅衬底上，在氧化层表面形成一层金属量子点膜层；图2为涂覆了金属量子点膜后的硅/ 二氧化硅样片结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆的金属量子点膜层。
[0048](6)称取3g聚酰胺酸溶于97g 二甲基甲酰胺中，磁力搅拌2小时，随后在600W功率下超声分散1.0小时，形成聚酰胺酸溶液，并采用2000rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到涂覆有金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的阶梯温度热处理聚酰亚胺化，即在金属量子点膜层上形成一层有机绝缘隔离层；图3为涂覆了金属量子点膜层层和有机绝缘隔离层后的硅/二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层。
[0049](7)采用4000rpm转速、60s旋涂时间将CdSe半导体量子点溶液旋涂到涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上，从而在其表面形成一层CdSe半导体量子点膜层；图4为涂覆了金属量子点膜层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点膜层后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层O
[0050](8)在涂覆有金属量子点层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点层的娃/ 二氧化硅衬底样片上采用图形化掩膜覆盖蒸镀工艺形成Cr/Au复合金属电极，分别作为光控量子点薄膜晶体管的源极和漏极；其中源极和漏极面积为200 μπιΧ300 μπι，源极与漏极间距为30 ym ;图5为涂覆了金属量子点层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点层并镀电极后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极。
[0051](9)采用2000rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到已经涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层、CdSe半导体量子点膜层和镀电极后的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的阶梯温度热处理聚酰亚胺化，即在CdSe半导体量子点膜层上形成一层有机绝缘隔封装保护层；图6为封装后的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层；图7为基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的工作原理示意图。其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层，9为辐照光，10为金属量子点膜层周围光场增强，11为受增强光调控CdSe半导体量子点膜层。
[0052]实施例3
(1)分别称取0.1028g氧化镉粉末，0.448g 1_十四基磷酸和1.0g三正丁基氧化膦置入一 50ml三颈烧瓶中，先氩气排空120min，随后氩气保护下加热至360°C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备镉前驱体溶液；随后将镉前驱体溶液反应器混合后并在130°C真空条件下处理3小时，再将反应器温度调整至330°C ;
(2)分别称取0.1264g砸粉、4.0g三丁基膦置入另一 50ml三颈烧瓶中，随后氩气保护下加热至220°C至溶质完全溶解形成透明溶液，制备砸前驱体溶液；
(3)将砸前体溶液迅速注入到镉前体溶液中，随后将混合溶液温度降至270°C，并在此温度下保温20min ;然后去掉热源，并冷却降温至140°C时，向混合液中注入甲醇溶液，得到相应的纳米晶沉淀，并经过离心、清洗得到CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液；
(4)分别按照比例称取包括硝酸银或HAuCl4的金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=1.0: 2.0:15:2.5,随后将其混合物倒入反应釜中，并加入适量的去离子水，使混合液体积占反应釜总体积的60%，并搅拌混合均匀，在200°C温度条件下热处理400min，随后将反应产物反复去离子水/无水乙醇及其高速离心清洗处理，最终产物分散到环己烷中即可得到相应的金属量子点溶液；
(5)取IcmXIcm大小、氧化层厚度为300nm的娃/ 二氧化娃衬底，图1为娃/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜。将该硅/ 二氧化硅衬底在浓硫酸/少量双氧水溶液中高温清洗30min，并采用5000rpm转速、60s旋涂时间将金属量子点溶液旋涂到清洗后的硅/ 二氧化硅衬底上，在氧化层表面形成一层金属量子点膜层；图2为涂覆了金属量子点膜层后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆的金属量子点膜层。
[0053](6)称取6g聚酰胺酸溶于94g 二甲基甲酰胺中，磁力搅拌3小时，随后在600W功率下超声分散1.5小时，形成聚酰胺酸溶液，并采用3000rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到涂覆了一层金属量子点层的硅/ 二氧化硅衬底上，并经过相应的热处理聚酰亚胺化，即在金属量子点上形成一层有机绝缘隔离层；图3为涂覆了金属量子点层和有机绝缘隔离层后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层。
[0054](7)采用5000rpm转速、60s旋涂时间将CdSe半导体量子点溶液旋涂到制备了金属量子点层、有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅衬底上，从而在其表面形成一层CdSe半导体量子点层；图4为涂覆了金属量子点层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点层后的硅/二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层。
[0055](8)在制备了金属量子点层、有机绝缘隔离层和CdSe半导体量子点层的硅/ 二氧化硅衬底样片上采用图形化掩膜覆盖蒸镀工艺形成Cr/Au复合金属电极，分别作为光控量子点薄膜晶体管的源极和漏极；其中源极和漏极面积为200 μπιΧ300 μπι，源极与漏极间距为50 ym ;图5为涂覆了金属量子点层、有机绝缘隔离 层和CdSe半导体量子点层并镀电极后的硅/ 二氧化硅衬底结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极。
[0056](9)采用3000rpm转速、60s旋涂时间将聚酰胺酸溶液旋涂到涂覆有金属量子点膜层、有机绝缘隔离层、CdSe半导体量子点膜层和镀电极后的硅/ 二氧化硅样片上，并经过相应的阶梯温度热处理聚酰亚胺化，即在CdSe半导体量子点膜层上形成一层有机绝缘隔封装保护层；图6为封装后的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管结构示意图，其中I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层；图7为基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的工作原理示意图，其中，I为衬底硅，2为硅表面二氧化硅膜，3为涂覆形成的金属量子点膜层，4为涂覆形成的有机绝缘隔离层，5为涂覆形成的CdSe半导体量子点膜层，6为源极电极，7为漏极电极，8为有机绝缘封装层，9为辐照光，10为金属量子点膜层周围光场增强，11为受增强光调控CdSe半导体量子点膜层。
[0057]以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，按照如下步骤实现: 51:以一硅/ 二氧化硅为衬底，通过旋涂成膜工艺，在该硅/ 二氧化硅衬底上制备金属量子点膜层，并将该金属量子点膜层作为等离子激元增强层； 52:在覆盖有所述金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上制备有机绝缘隔离层； 53:在覆盖有所述金属量子点膜层以及所述有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上制备CdSe量子点膜层，并将该CdSe量子点膜层作为导电沟道； S4:通过图形化掩膜覆盖蒸镀工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上制备金属电极，且将所述金属电极分别作为源极、漏极； S5:通过有机物封装制备基于光控量子点膜层导电沟道的薄膜晶体管。2.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤SI中，还包括如下步骤: 511:将包括硝酸银和HAuCl4的金属离子化合物、亚油酸钠、无水乙醇和亚油酸混合搅拌; 512:将混合搅拌后的混合液体，分别通过水热反应、反复去离子水以及无水乙醇高速离心处理，并分散到环己烷，制备金属量子点溶液； 513:将所述硅/ 二氧化硅衬底通过硫酸/双氧水溶液高温清洗，并采用旋涂成膜工艺，将所述金属量子点溶液在所述硅/ 二氧化硅衬底上旋涂成膜，即在所述硅/ 二氧化硅的氧化层表面形成一层金属量子点膜层，制备得覆盖有金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片。3.根据权利要求2所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤Sll中，金属离子化合物:亚油酸钠:无水乙醇:亚油酸=0.3-1.0:1.0-2.0:5-15:0.5-2.5 ;所述混合溶液体积占水热反应釜的40%至60% ;在所述步骤S12中，所述水热反应温度为20°C至200°C ;所述水热反应的处理时间为30min至400min ;金属量子点环己烧溶液中所述金属量子点浓度为10个/cm3至20个/cm3;在所述步骤S13中，所述硅/ 二氧化硅衬底面积为IcmX Icm，且二氧化硅层作为薄膜晶体管绝缘层，厚度为30 nm至300nm ;所述旋涂工艺的转数为1000 rpm至5000rpmo4.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，还包括如下步骤: S21:采用旋涂成膜工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，将聚酰胺酸溶液旋涂成膜，并采用阶梯温度热处理将聚酰胺酸聚酰亚胺化，在所述硅/ 二氧化硅样片上制备有机绝缘隔离层。5.根据权利要求4所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S21中，所述旋涂工艺的转数为100rpm至3000rpm ;所述阶梯温度热处理方式为:120°C/I h、180°C/l h、250°C/l h以及300°C /I h ;所述有机绝缘隔离层厚度为5nm至30nmo6.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3还包括以下步骤: S31:将氧化镉粉末、1-十四基磷酸以及三正丁基氧化膦在排空加热条件下混合，制备镉前驱体溶液；在氩气保护下将砸粉末溶于三丁基膦中，制备砸前驱体溶液；在第一温度下，将所述砸前驱体溶液注入所述镉前驱体溶液中进行混合，并降温至第二温度，且以第一时间进行保温；去掉热源，冷却降温至第三温度，并向混合液中注入甲醇溶液，对应获取纳米晶沉淀，并经过离心和清洗获取CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液，完成CdSe量子点溶液的制备；； S32:通过旋涂成膜工艺，在覆盖有金属量子点膜层以及所述有机绝缘隔离层的硅/ 二氧化硅样片上将所述CdSe量子点溶液旋涂成膜，形成一层CdSe量子点膜层，制备覆盖有CdSe量子点膜层、有机绝缘隔离层以及金属量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片。7.根据权利要求6所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S31中，所述镉前驱体溶液合成制备温度为240°C至360°C;所述砸前驱体溶液合成制备温度为100°C至220°C;所述第一温度为250°C至330°C;所述第二温度为220°C至270°C ;所述第一时间为Imin至20min ;所述第三温度为80°C至140°C ；CdSe量子点的氯仿或者甲苯溶液中CdSe量子点浓度为5个/cm3至10个/cm 3;在所述步骤S32中，所述旋涂工艺的转数为2000rpm至4000rpm。8.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述金属电极为Cr/Au复合金属电极；所述图形化掩膜覆盖蒸镀工艺为采用图形化的金属掩膜覆盖涂覆有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片样品的表面，然后在其表面进行蒸镀；所述源极和所述漏极面积为200 μ mX 300 μ m，且所述源极与所示漏极间距为10 μ m至50 μ m。9.根据权利要求1所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤S5中，还包括如下步骤: S51:采用旋涂成膜工艺，在覆盖有所述金属量子点膜层、所述有机绝缘隔离层以及所述CdSe量子点膜层的硅/ 二氧化硅样片上，将聚酰胺酸溶液旋涂成膜，并采用阶梯温度热处理方式将聚酰胺酸聚酰亚胺化，制备基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管。10.根据权利要求9所述的一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，其特征在于在所述步骤S51中，所述阶梯温度热处理方式为:120°C/I h、180°C/l h、250°C /I h 以及 300°C /I h。
【专利摘要】本发明涉及一种基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管的制备方法，利用旋涂成膜工艺技术，在硅/二氧化硅衬底上，依次制备出金属量子点等离子激元增强层、绝缘有机隔离层、CdSe半导体量子点导电沟道层，随后，通过图形化掩膜覆盖蒸镀工艺技术在CdSe量子点沟道层分别形成Cr/Au复合金属电极，引出相应的源极和漏极，再通过旋涂有机物实现对量子点沟道的有效封装和保护，从而制备出新型的基于等离激元增强光控量子点薄膜晶体管。本发明制备方法新，制作成本低，制备工艺简单，精确可控，所制备的光控栅极型量子点薄膜晶体管具有特殊量子点导电沟道、金属量子点等离子激元增强特性，有效提高了光控栅极晶体管的灵敏度。
【IPC分类】H01L29/12, H01L29/786, H01L21/336, H01L29/06, H01L29/22
【公开号】CN104882383
【申请号】CN201510281343
【发明人】杨尊先, 郭太良, 胡海龙, 周雄图, 吕军, 杨洋
【申请人】福州大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月28日