专利名称：在低驱动电压下具有高探测灵敏度的ir光探测器的制作方法
在低驱动电压下具有局 米测灵敏度的IR光 米测器本申请的交叉引用本申请主张2010年11月23日提交的美国临时申请序列号N0.61/416，630的优先权，其全部内容包括任何附图、表格或图形，通过引用结合于此。
背景技术：
现有的夜视护目镜是复杂的光电装置，其加强现有光线而不依赖于其自身的光源。在典型的结构中，称之为物镜的传统透镜捕获环境光和某些近红外光。所收集的光接着被发送给图像增强管。该图像增强管使用光阴极收集光能的光子，用于生成电子。当电子穿过增强管时，更多的电子可从管内的原子释放，将原始数目的电子乘以数千的因子，通常通过使用微通道板(Micro Channel Plate, MCP)完成。图像增强管可被定位,使得串联电子轰击在增强管的末端的涂磷屏幕，电子保留他们 穿过的通道位置。电子的能量使磷达到激发状态并释放光子，其产生屏幕上的绿色图像和现有的夜视特征状态。绿色的荧光图像可以通过目镜看到，在目镜，图像被放大和聚焦。近来，光上转换装置吸引了很大的研究兴趣，原因在于他们在夜视、测距、安全和半导体晶片检测中的潜在的应用。早期的近红外(NIR)上转换装置大多数基于无机半导体的异质结结构，其中光探测和发光部是串联的。上转换装置主要通过光探测法区分。现有的无机和混合上转换装置制造成本昂贵，且制造工艺与大面积应用不兼容。不断努力实现具有高转换效率的低成本的上转换装置。不幸地是，现在还不能允许以低驱动电压进行足够的探测灵敏度，原因通常在于造成光探测器的不足够对比度的高暗电流强度。因此，存在着以下需求，实现上转换装置的高对比度和IR光探测器，该IR光探测器具有高探测灵敏度同时需要低驱动电压，例如，约10V。
发明内容
本发明的实施例涉及红外光探测器，包括IR传感层，用于隔离电子阻挡层(EBL)和空穴阻挡层(HBL)，其中，所述IR光探测器具有高探测灵敏度。该IR光探测器可在低于20V的电压下使用。可使用茈_3，4，9，10-四甲-3，4，9，10-四甲酸二酐(PCTDA)、锡(II)酞菁(SnPc)、SnPc:C6Q、氯化铝酞菁(AlPcCl)、AlPcCl:C6Q、酞菁氧钛(TiOPc), TiOPc:C60PbSe量子点(QDs)、PbS QDs、PbSe 薄膜、PbS 薄膜、InAs、InGaAs、S1、Ge、或 GaAs 的 IR 传感层。EBL可以是聚(9，9-邻苯二甲酸二辛-芴-C0-N-(4-苯基)苯胺)(TFB)，聚-N，N-双-4-苯基-N，N-双-苯基联苯胺(聚-ΤΗ))，或者聚苯乙烯-N，N-二苯基-N，N-双(4-n-苯基)-(1，10-联苯)-4,4-二胺-全氟环丁烷(PS-Tro-PFCB)，以及HBL可以是2，9-二甲基-4，7- 二苯基-1，10-邻二氮菲(BCP)，P-双(三苯基硅)苯(UGH2)，4，7- 二苯基-1，10-邻二氮菲(BPhen),三-(8-羟基喹啉)铝(Alq3)，3，5’-N，N’-二咔-苯(mCP), C60,三[3- (3-吡啶)-异丙叉]硼烷(3TPYMB)，ZnO薄膜，ZnO纳米粒子，TiO2薄膜，或者TiO2纳米粒子。
图1示出了根据本发明的实施例的具有高探测灵敏度的红外光探测器的示意图。图2示出根据本发明的实施例的a)示意图和b)不具有和具有空穴阻挡层和/或电子阻挡层的有机光探测器的暗J-V特征，以及(C)作为波长的函数的具有空穴和电子阻挡层的有机光探测器的探测灵敏度。图3示出a)根据本发明的实施例的EBL和HBL材料的化学结构和用于制备IR光探测器的IR传感材料的TEM图像，b)典型的各种尺寸的PbSe QD纳米晶体的具有量子点的TEM图像的插入的吸收光谱，以及c)用于暗电流降低的IR光探测器的能量结构示意图。图4示出了 a)根据本发明的实施例的、包括不具有和具有HBL和EBL的光探测器的PbSe量子点的电流-电压(J-V)特征的曲线图，在基于λ=830ηπι的暗(Jd)和亮(Jph)的状态下；b) -0.5V偏压下的各种IR光探测器的暗电流、光-电流和计算出的探测值灵敏度值；以及c)从偏压-0.5V的光谱响应曲线计算出的用于不具有或具有HBL和EBL的光探测器的整个可见光和红外光谱下的探测灵敏度曲线。
具体实施例方式本发明的实施方式涉及具有高探测灵敏度的红外光探测器，用作传感器和用在上转换装置中。当暗电流是主要噪声因子时，探测灵敏度可以以下公式(I)表达。D*=R/(2qJd)1/2 (I)其中，R是响应度，Jd是暗电流强度，以及q是基本电荷(1.6x10_19C)。为了实现具有理想探测灵敏度的光探测器，需要非常低的暗电流强度。根据本发明的实施例的光探测器包括具有深最高占据分子轨道(HOMO)的空穴阻挡层(HBL)和具有高最低未占据分子轨道(LUMO)的电子阻挡层(EBL)，其中，EBL位于IR感光层的阳极面对表面上，HBL位于IR感光层的阴极面对表面上，如图1所示。这些层的厚度范围从约20nm至约500nm，其中电子之间的整体间距小于5 μ m。根据本发明的实施例的IR光探测器允许低于5V的施加电压下的闻探测灵敏度。在本发明的实施例中，IR感光层可以是包含材料或无机材料的有机物或有机金属。在本发明的一些实施例中，该材料吸收大部分IR，超出近IR(700nm至1400nm)，例如，波长达到1800nm或更高。包含材料的示范性有机物或有机金属包括:茈_3，4，9，10-四甲-3，4，9，10-四甲酸二酐(PCTDA);锡(11)酞菁(SnPc) ；SnPc:C60 ;氯化铝酞菁(AlPcCl)；AlPcCl: C6tl ;酞菁氧钛(TiOPc);以及TiOPc = C6tl。用作感光层的无机材料包括=PbSe量子点(QDs) ；PbS QDs ；PbSe 薄膜；PbS 薄膜；InAs ；InGaAs ；Si ；Ge ;以及 GaAs。在本发明的实施例中，HBL可以是包含材料的有机物或有机金属，该材料包括但不限于:2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-邻二氮菲(BCP) ;p-双(三苯基硅)苯(UGH2)；4，7-二苯基-1，10-邻二氮菲(BPhen);三 _(8_羟基喹啉)铝(Alq3) ;3，5’_N，N’-二咔-苯(mCP) ;C60;三[3-(3-吡啶)-异丙叉]硼烷(3TPYMB)。在本发明的其他实施例中，HBL可以是无机材料，包括但不限于ZnO或TiO2的薄膜或纳米粒子。在本发明的实施例中，EBL可以是有机材料，包括但不限于:聚(9，9_邻苯二甲酸二辛-荷-CO-N- (4-苯基)苯胺)(TFB) ;1，1-双[(二 -4-甲苯氨基)苯基]环己烧(TAPC) ;N，N’-K*-N，N’(2- 萘)-(1，Γ-苯基)_4，4’-二胺(NPB) ;N，N’-联苯-N，N’-二(m-甲苯)联苯胺(TPD);聚-N，N’ -双-4-苯基-N，N’ -双-苯基联苯胺(聚-TPD);或者聚苯乙烯-N，N- 二苯基-N，N-双(4-n-苯基)-(1, 10-联苯)-4，4- 二胺-全氟环丁烷(PS-TPD-PFCB)。方法和材料如图2a所示，所制备的光探测器不具有阻挡层，聚-TH)作为EBL，ZnO纳米粒子作为HBL，聚-TH)和ZnO纳米粒子分别作为EBL和HBL，其中IR感光层包括PbSe纳米晶体。如图2b所示，光探测器的暗电流-电压(J-V)比具有EBL和HBL的光探测器和不具备阻挡层的光探测器降低超过3个数量级。具有两个阻挡层的光探测器在红外和小于950nm的可见波长上呈现了超过IO11琼斯(Jones)的灵敏度。同样构造出无机纳米粒子光探测器，不具备阻挡层，具备EBL和HBL层。如图3c所示意性示出的，包括结构如图3a所示的各种HBL(BCP，C60,或者ZnO) >EBL(TFB或聚-TH))的光探测器，其结构如图3a所示，其中包含IR感光层的PbSe量子点，其如图3b所示出，作为插入至各层的红外吸收光谱的TEM图像。下面，表I给出了这些阻挡材料的HOMO和LUMO层的级别。尽管减少的幅度有所不同，但是，含PbSe的光探测器的PbSe上的EBL和HBL的布置实现了低电压下的暗电流的显著降低，如图4a所示。图4b是不具有和具有各种阻挡层系统的含PbSe的光探测器的PbSe的暗电流、光电流和探测灵敏度。图4c示出作为波长的函数的灵敏度的提高，其原因在于具有EBL和HBL。表I阻挡层材料及其HOMO和LUMO能量
权利要求
1.一种IR光探测器，包括IR传感层，用于隔离电子阻挡层(EBL)和空穴阻挡层(HBL)，其中，所述IR光探测器具有高探测灵敏度。
2.根据权利要求I所述的IR光探测器，其中，所述IR传感层包括茈_3，4，9，10-四甲-3，4，9，10-四甲酸二酐(PCTDA)、锡(II)酞菁(SnPc)、SnPc:C6tl、氯化铝酞菁(AlPcCl)、AlPcCl: C6tl、酞菁氧钛(TiOPc)、或 TiOPc: C600
3.根据权利要求I所述的IR光探测器，其中，所述IR传感层包括PbSe量子点(QDs)、PbS QDs、PbSe、PbS、InAs, InGaAs、Si、Ge、或 GaAs。
4.根据权利要求I所述的IR光探测器，其中，所述EBL包括聚(9，9-邻苯二甲酸二辛-芴-CO-N- (4-苯基)苯胺)(TFB)、聚-N，N-双-4-苯基-N，N-双-苯基联苯胺(聚-TPD)、或者聚苯乙烯-N，N- 二苯基-N，N-双(4-n-苯基)-(1,10-联苯)-4，4- 二胺-全氟环丁烷(PS-TPD-PFCB)。
5.根据权利要求I所述的IR光探测器，其中，所述HBL包括2，9-二甲基-4，7- 二苯基-1，10-邻二氮菲(BCP)、P-双(三苯基硅)苯(UGH2)、4，7- 二苯基-1，10-邻二氮菲(BPhen)、三-(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、3，5，-N，N，- 二咔-苯(mCP)、C6tl、或者三[3_(3_ 吡啶)_异丙叉]硼烷(3TPYMB)。
6.根据权利要求I所述的IR光探测器，其中，所述HBL包括ZnO或TiO2的连续膜或纳米粒子膜。
全文摘要
一种具有高探测灵敏度的IR光探测器，包括IR传感层，位于电子阻挡层(EBL)和空穴阻挡层(HBL)之间。EBL和HBL显著地减少了暗电流，产生在允许对IR光探测器使用低施加电压时的高探测灵敏度。
文档编号H01L31/09GK103238221SQ201180056135
公开日2013年8月7日 申请日期2011年10月13日 优先权日2010年11月23日
发明者弗兰基·索, 金道永, 伽利略·萨拉斯克塔, 布哈本德拉·K·普拉丹 申请人:佛罗里达大学研究基金会有限公司, 纳米控股有限公司