[发明专利]石墨烯晶体管及其制备方法、使用方法和自驱动电子皮肤

说明书

一种石墨烯晶体管及其制备方法、使用方法和自驱动电子皮肤，其中，石墨烯晶体管包括基底层、电极层、石墨烯层及离子凝胶介电层，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极和漏极；石墨烯层位于源极和漏极的上表面，且石墨烯层与源极和漏极接触；离子凝胶介电层位于石墨烯层上表面。本公开采用石墨烯作为晶体管，实现了栅极‑源漏极‑沟道共面的结构，在离子凝胶介质层上直接摩擦提供栅极电压，可以作为自驱动电子皮肤，具有结构紧凑、操作电压低、调控精度高且灵敏性高的特点。

技术领域

本公开属于半导体器件领域，更具体地涉及一种石墨烯晶体管及其制备方法，以及石墨烯晶体管的使用方法及自驱动电子皮肤。

背景技术

电子皮肤系统是一种利用新材料技术、传感器技术和微机电加工技术制作的能够模仿人体皮肤保护、感知、调节等功能的电子装置或者电子系统。电子皮肤的主要目标是：

1、柔性，可紧密贴合于人体；

2、智能性：可高灵敏度地感应人体活动的信号（温度，血压，脉搏）获得定量化的参数信息；

3、系统性：可对外界环境变化快速响应并做出反馈。

为满足电子皮肤检测环境的高灵敏性与高分辨率和器件集成，基于场效应晶体管（FET）的电子皮肤的研究具有重要意义。基于晶体管的有源矩阵式电子皮肤以其多参数监控、高灵敏性、高分辨率监测和高集成度等优势，在电子皮肤的研发中占据举足轻重的地位，可精确检测温度、压力、应力及多重参数。

然而，在晶体管工作过程中，需要同时施加栅极和漏极电压，尽管有源矩阵的优化设计已极大降低了工作能耗，但由于传统栅极绝缘层材料的限制，有源矩阵式电子皮肤的工作电压大都高于5V，当电子皮肤被穿戴甚至植入人体之后，存在一定的安全隐患和不便利性。

再者，由于传统的可穿戴电子皮肤依赖于外界供电，装有长导线，限制了可移动性的应用。因此，自驱动（不需要持续供电或间歇式充电）的柔性电子皮肤，满足可穿戴便携监测人体活动的重要需要，将会极大地扩展柔性电子皮肤的应用。将机械能转化为电能一般通过压电与摩擦电，其中，将压电纳米发电机应用到基于离子凝胶介电层晶体管中，得到压电自驱动式的电子皮肤被成功开发。但是，基于压电自驱动的电子皮肤的研究还存在一定的问题，一是电子皮肤的有效感应区域集中在纳米发电机部分，不能充分利用阵列空间；二是纳米发电机所提供的电压不能十分有效地用来调控沟道的载流子浓度。因此，开发更加高效的自驱动式电子皮肤是下一步需要解决的问题。

发明内容

基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种石墨烯晶体管及其制备方法、及自驱动电子皮肤，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，本公开提出一种石墨烯晶体管，包括基底层、电极层、石墨烯层及离子凝胶介电层，其中：电极层包括形成于基底层同一表面上独立分布的源极和漏极；石墨烯层位于源极和漏极的上表面，且与所述源极和漏极相接触；离子凝胶介电层位于石墨烯层上表面。

在本公开的一些实施例中，上述电极层还包括与源极和漏极位于所述基底层同一侧且独立分布的栅极；该源极位于漏极和栅极之间，石墨烯层与栅极不相接触。

在本公开的一些实施例中，上述离子凝胶介电层与栅极上表面接触。

在本公开的一些实施例中，上述电子皮肤还包括位于离子凝胶介电层上表面的保护涂层；优选地，该保护涂层为含氟涂层。

在本公开的一些实施例中，上述基底层为柔性材料，优选包括聚对苯二甲酸乙二醇酯。

在本公开的一些实施例中，上述电极层的主体材料包括金属或半导体材料，优选地，半导体材料包括石墨烯。

在本公开的一些实施例中，上述石墨烯层覆盖于源极和漏极的上表面；优选地，石墨烯层的两侧边与源极和漏极的侧边平齐。