红外光电探测器及制备方法

1.本发明涉及红外光电领域，特别涉及一种红外光电探测器及制备方法。


背景技术：

2.现有主要的红外光电探测技术主要有光电导型和异质结型器件两种。其中，光电导型器件采用单一半导体材料，具有内部增益，光响应度可以达到较高的值，对弱光敏感，但响应速度相对较慢，噪音较大，探测度低，使用时需制冷；异质结型基于异质结内建电场，没有内部增益，光响应度小，但是噪声电流小，探测度高，响应速度快。使用的半导体材料包括si、ge、pbs、pbse、gaas、ingaas、insb、hgcdte等薄膜，存在着需要通过外延方法进行生长，成本高；对薄膜结晶质量要求高，无法适应新型光电子器件透明，柔性等方面的要求等问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种红外光电探测器及制备方法，旨在解决目前红外光电探测器中光电响应度响应速度二者不可兼得的问题。
4.为实现上述目的，本发明提出一种基于窄带隙纳米晶光敏材料的红外光电探测器，包括：
5.半导体层，所述半导体层由具有电子能带隙的材料制得；
6.绝缘介电层，形成于所述半导体层的一侧表面；
7.栅电极，设置于所述绝缘介电层背离所述半导体层的一侧；
8.红外光敏层，设置于所述半导体层上，所述红外光敏层为窄带隙半导体纳米形态颗粒形成的多晶薄膜；
9.红外透明电极，设置于所述红外光敏层背离所述半导体层的一侧表面；
10.所述红外透明电极为具有高导电性与红外透过性的薄膜，所述红外透明电极宽度小于或等于所述红外光敏层宽度，且不与源漏电极接触；
11.源电极及漏电极，设置于半导体层的一侧表面，且分别设置于所述红外光敏层的两侧。
12.可选地，所述红外光敏层可为pbs、pbse、hgte、hgcdte、ti2o3、agse中的一种或者多种组合。
13.可选地，所述半导体层可为si、igzo、pentacene、p3ht、mos2、mose2中的一种或者多种组合。
14.可选地，所述红外透明电极为ito、石墨烯、pedot:pss、金属纳米线网络中的一种或者多种组合。
15.可选地，所述绝缘介电层的材料为sio2、al2o3、hfo2、bn、aln、sin
x
中的一种或者多种组合。
16.可选地，所述栅电极、源电极及漏电极为金属电极、重掺杂si、ito中的一种或者多
种组合。
17.本发明提出一种基于硫化铅量子点的双工作模式红外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
18.步骤s10、在重掺杂硅衬底一侧表面热生长形成一层sio2绝缘介电层，重掺杂硅作为栅电极；
19.步骤s20、使用磁控溅射方法，在所述绝缘介电层的一侧面上沉积igzo薄膜，以形成半导体层；
20.步骤s30、在所述半导体层上热蒸发沉积铝电极，以形成源、漏电极；
21.步骤s40、在半导体层上旋涂法沉积硫化铅量子点薄膜，并进行表面基团置换，以形成红外光敏层；
22.步骤s50、通过磁控溅射方法使用掩膜版在所述红外光敏层上沉积ito薄膜，以形成红外透明电极。
23.可选地，所述步骤s40中在半导体层上通过旋涂法采用硫化铅量子点胶体溶液沉积硫化铅量子点薄膜的步骤具体为：
24.使用热注入法，合成以正己烷为溶剂的直径为5-20nm的硫化铅量子点胶体溶液，量子点表面基团为油酸；
25.使用旋涂法将量子点胶体溶液沉积成为量子点薄膜，每次旋涂后进行表面基团置换，从油酸基团置换为巯基丙酸基团，每次旋涂沉积厚度为10-30nm；
26.多次重复旋涂，以所述硫化铅量子点胶体溶液沉积总厚度20-200nm的硫化铅量子点薄膜，以形成红外光敏层。
27.本发明红外光电探测器通过设置由具有电子能带隙的材料制得的半导体层，并将绝缘介电层形成于半导体层的一侧表面，将栅电极设置于绝缘介电层背离半导体层的一侧；以窄带隙半导体纳米形态颗粒形成的多晶薄膜形态呈现的红外光敏层设置于半导体层上，将红外透明电极设置于红外光敏层背离半导体层的一侧表面；红外透明电极为具有高导电性与红外透过性的薄膜，红外透明电极宽度小于或等于红外光敏层宽度；源电极及漏电极，设置于半导体层的一侧表面，且分别设置于红外光敏层的两侧。在源电极接地，漏电极接电压vd时为光电导工作模式，获得漏电极的电流id，id在暗态和光照下的差值δid作为光电流，此时红外光电探测器的响应速度会比较慢，但内增益与光电响应度会相对较大；源电极或漏电极接地，以红外透明电极上电压v
t
作为驱动电压，此时为异质结工作模式，红外透明电极上电流i
t
在暗态和光照下的差值δi
t
作为光电流，此时红外光电探测器的响应速度会比较快，但内增益与光电响应度会相对较小。本发明通过实现红外光电探测器在光电导工作模式和异质结工作模式之间的切换，解决了目前红外光电探测器无法兼具高光电响应度和高响应速度的问题。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
29.图1为本发明中红外光电探测器一实施例的结构示意图；
30.图2为本发明红外光电探测器光电导工作模式一实施例的示意图；
31.图3为本发明红外光电探测器异质结工作模式一实施例的示意图；
32.图4为本发明红外光电探测器异质结工作模式另一实施例的示意图；
33.图5为本发明中基于硫化铅量子点的双工作模式红外光电探测器制备方法一实施例的工作流程图；
34.图6～图8为本发明红外光电探测器光电导工作模式下的电流响应图；
35.图9～图10为本发明红外光电探测器异质结工作模式下的电流响应图；
36.图11为本发明红外光电探测器在不同的工作模式下开光时间段的电流响应对比图；
37.图12为本发明红外光电探测器在不同的工作模式下关光时间段的电流响应对比图。
38.附图标号说明：
39.标号名称标号名称10半导体层20绝缘介电层31栅电极32源电极33漏电极40红外光敏层50红外透明电极
ꢀꢀ
40.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
42.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
43.本发明提出一种基于窄带隙纳米晶光敏材料的红外光电探测器，旨在解决目前红外光电探测器中光电响应度与响应速度二者不可兼得的问题。
44.参照图1，在本发明一实施例中，该红外光电探测器，包括：
45.半导体层10，所述半导体层10由具有电子能带隙的材料制得；
46.绝缘介电层20，形成于所述半导体层10的一侧表面；
47.栅电极31，设置于所述绝缘介电层20背离所述半导体层10的一侧；
48.红外光敏层40，设置于所述半导体层10上，所述红外光敏层40为窄带隙半导体纳米形态颗粒形成的多晶薄膜；
49.红外透明电极50，设置于所述红外光敏层40背离所述绝缘介电层20的一侧表面；
50.所述红外透明电极50为具有高导电性与红外透过性的薄膜，所述红外透明电极50宽度小于或等于所述红外光敏层40宽度，且不与源电极32、漏电极33接触；
51.源电极32及漏电极33，设置于所述半导体层10的一侧表面，且分别设置于所述红外光敏层40的两侧。
52.红外光电探测技术主要有光电导型和异质结型器件两种。其中，光电导型器件采用单一半导体材料，具有内部增益，光响应度可以达到较高的值，对弱光敏感，但响应速度相对较慢，噪音较大，探测度低，使用时需制冷；异质结型基于异质结内建电场，没有内部增益，光响应度小，但是噪声电流小，探测度高，响应速度快。
53.在本实施例中，红外透明电极50使用具有高导电性与红外透过性的材料制成，以使得红光信号的透过，如此，在红外光电探测器工作时，外部的红外光信号穿过红外透明电极50进入红外光敏层40，由红外光敏层40将外部的红外光信号转换为电信号。
54.具体地，红外透明电极50可以由ito、石墨烯、pedot:pss、金属纳米线网络材料中的一种或者多种组合而制得。
55.红外光敏层40可以采用窄带隙半导体纳米形态颗粒形成的多晶薄膜来实现，利用窄带隙半导体材料具有宽光谱响应、禁带宽度适合等特性，使得红外光电探测器具有较好的红外光谱匹配能力。同时，由于红外光敏层40所采用的纳米形态颗粒形成的多晶薄膜具有丰富的表面态，可以获得较大的由光生激子到光生载流子的转化效率，从而大幅度提高入射光的利用率，从而提高红外光敏层40的光电转换效率。进一步地，红外光敏层40所采用的纳米颗粒可以通过溶液法合成，合成后的纳米颗粒可以再通过溶液法以形成多晶薄膜，由上述方法所形成的多晶薄膜具有一定的延展弯曲性，可以降低红外光敏层40制备成本，增加红外光电探测器(柔性沉底)的适用性。
56.具体地，红外光敏层40可以采用pbs、pbse、hgte、hgcdte、ti2o3、agse中的一种来形成多晶薄膜，也可以采用两种或者两种以上的上述窄带隙半导体纳米形态颗粒组合来形成多晶薄膜。
57.半导体层10可以由具有电子能带隙的材料制得，具有电子能带隙的材料的本征载流子浓度较低，由具有电子能带隙的材料制得的半导体层10电导率也较低，阻碍半导体电流流动的能力就较强。由于阻碍半导体电流流动的能力就较强，红外光电探测器在没有光照射的状态下，流动的电流也就较小，因此红外光电探测器产生的暗电流较低，且具有较好的开关特性。
58.具体地，半导体层10可以由si、igzo、pentacene、p3ht、mos2、mose2材料中的一种或者多种组合而制得。
59.栅电极31、源电极32、漏电极33可由重掺杂硅、金属电极等具有高导电性的材料制成。栅电极31、源电极32、漏电极33及红外透明电极50作为红外光电探测器的工作电极。红外光电探测器在工作时，红外光从由红外透明电极50上方入射，入射的红外光透过红外透明电极50至红外光敏层40，红外光敏层40在接收到红外光后激发产生光生载流子，形成光
电流。红外光电探测器的工作模式根据获得的不同电极间的光电流信号，被分为光电导模式与异质结型两种工作模式。
60.参照图2，在光电导模式下，源电极32接地，漏电极33接电压vd并获得对应的电流id。id在暗态和光照下的差值δid作为光响应信号，即光电流。光电导模式下红外光电探测器的光电性能可以受到栅极电压vg与红外透明电极50上电压v
t
的调控。在该工作模式下，红外光电探测器会获得较大的内增益与光电响应度，但响应速度会相对较慢。
61.参照图3或图4，在异质结型工作模式下，源电极32或漏电极33接地，以红外透明电极50上电压v
t
作为驱动电压并获得对应的电流i
t
，i
t
在暗态和光照下的差值δi
t
作为光响应信号，即光电流。异质结型工作模式下红外光电探测器的光电性能可以受到栅极电压vg的调控。在该工作模式下，红外光电探测器的响应速度会比较快，但内增益与光电响应度会相对较小。
62.本实施例中的红外光电探测器通过以不同的电极作为工作电极，能够实现在异质结模式和光电导模式两种工作模式的切换，实现了一种高光电响应度和高响应速度的红外光电探测器。
63.本发明红外光电探测器通过设置由具有电子能带隙的材料制得的半导体层10，并将绝缘介电层20形成于半导体层10的一侧表面，将栅电极31设置于绝缘介电层20背离半导体层10的一侧；以窄带隙半导体纳米形态颗粒形成的多晶薄膜形态呈现的红外光敏层40设置于半导体层10上，将红外透明电极50设置于红外光敏层40背离半导体层10的一侧表面；红外透明电极50为具有高导电性与红外透过性的薄膜，红外透明电极50宽度小于或等于红外光敏层40宽度；源电极32及漏电极33，设置于半导体层10的一侧表面，且分别设置于红外光敏层40的两侧。在源电极32接地，漏电极33接电压vd时为光电导工作模式，获得漏电极33的电流id，id在暗态和光照下的差值δid作为光电流，此时红外光电探测器的响应速度会比较慢，但内增益与光电响应度会相对较大；源电极32或漏电极33接地，以红外透明电极50上电压v
t
作为驱动电压，此时为异质结工作模式，红外透明电极50上电流i
t
在暗态和光照下的差值δi
t
作为光电流，此时红外光电探测器的响应速度会比较快，但内增益与光电响应度会相对较小。本发明通过实现红外光电探测器在光电导工作模式和异质结工作模式之间的切换，解决了目前红外光电探测器无法兼具高光电响应度和高响应速度的问题。
64.采用光照强度为28.6mw/cm2，脉冲为1064nm的近红外光作为测试光源，测试光源从由红外透明电极50上方入射至红外光电探测器，对红外光电探测器光电流的响应性能进行测试。
65.图6为该红外光电探测器在光电导工作模式下，在红外透明电极50上的v
t
不同时，光电流信号δid的响应曲线图。由图6可知，光电导工作模式时的光电流信号δid受到红外透明电极50上的v
t
电压的强烈调制作用，在红外透明电极50接入反向电压时，产生的光电流δid很小；在红外透明电极50接入正向电压时，产生的光电流δid很大。
66.图7为该红外光电探测器在光电导工作模式下，在栅电极31接入的电压vg不同时，光电流信号δid的响应曲线图。由图7可知，红外光电探测器在近红外光照情况下漏电极33上的电流id要大于红外光电探测器在暗态时漏电极33上的电流id。而红外光电探测器在红外光照下与漏电极33上的电流id在暗态时漏电极33上的电流id的差值为δid，δid的大小依赖于vg的值，在vg小于零时较小，在vg大于零时较大。
67.图8为该红外光电探测器在光电导工作模式下，电流id在接收到调制的近红外光源信号时，电流id的响应曲线图。由图8可知，该红外光电探测器在光电导工作模式时，且接收到一定频率调制的近红外光源信号时，电流id大小随着调制光信号周期波动，电流id的响应曲线能够较好地反应红外光信号特征。
68.图9为该红外光电探测器在异质结工作模式下，在栅电极31接入的电压vg不同时，光电流信号δi
t
的响应曲线图。由图9可知，红外光电探测器在近红外光照情况下漏电极33上的电流i
t
要大于红外光电探测器在暗态时漏电极33上的电流i
t
。在异质结工作模式下，红外光电探测器在红外光照下与漏电极33上的电流i
t
在暗态时漏电极33上的电流i
t
的差值为δi
t
，δi
t
的大小受vg的值的影响不大，无论在vg大于零、小于零还是等于零时，红外光电探测器均能够产生较大的光电流δi
t
。
69.图10为该红外光电探测器在异质结工作模式下，电流id在接收到调制的近红外光源信号时，电流id的响应曲线图。由图8可知，该红外光电探测器在异质结工作模式时，且接收到一定频率调制的近红外光源信号时，电流id大小随着调制光信号周期波动，电流id的响应曲线能够较好地反应红外光信号特征。
70.参照图6、图7及图9，该红外光电探测器在异质结工作模式下所产生的光电流δi
t
受vg的值的影响不大，在vg的大小变化时，红外光电探测器一直都能够产生较大的光电流δi
t
。而红外光电探测器在光电导工作模式下产生的光电流δid受到vg和v
t
的影响较大，在vg小于零或v
t
小于零时，红外光电探测器产生的光电流δid较小，在vg大于零且v
t
大于零时，红外光电探测器产生的光电流δid较大，光电导工作模式的开关特性较好，通过控制vg和v
t
的电压大小，能够控制产生的光电流δid的大小。
71.参照图8和图10，无论红外光电探测器在异质结工作模式还是在光电导工作模式下产生的光电流都能够很好地响应红外光信号。
72.参照图11，红外光电探测器在不同的工作模式下的瞬间光响应工作特性的对比，由图11可知，在异质结模式下比在光电导工作模式下光响应速度更快。
73.参照图12，红外光电探测器在不同的工作模式下的瞬间光响应恢复工作特性的对比，由图11可知，在异质结模式下比在光电导工作模式下光响应恢复速度更快。
74.参照图1，在所述源电极32及漏电极33设置于所述半导体层10的一侧表面，且分别设置于所述红外光敏层40的两侧时，所述红外光敏层40宽度小于或等于所述源电极32及漏电极33之间的间距。
75.在本实施例中，源电极32和漏电极33设置于半导体层10的下表面，也可以在半导体层10的上表面。在源电极32和漏电极33设置于半导体层10的上表面时，形成顶接触结构，顶接触是半导体先生长在栅绝缘层再进行源漏电极的沉积，所形成膜的质量也比较优质，因此由顶接触制得的器件的性能比底接触的较好一些。在源电极32和漏电极33设置于半导体层10的下表面时，形成地接触结构，底接触是半导体的基底是源漏电极和栅绝缘层。顶接触是半导体材料直接沉积在绝缘介电层20上，从制作器件的工艺方面考虑，顶接触是源漏电极沉积在半导体薄膜上，集成度更高，适合制作高集成度器件。为此，在实际应用时，可以根据实际应用需求，选择将源电极31和漏电极33设置为底接触或者顶接触结构，在需要制作高性能器件时采用顶接触结构，在需要制作高集成度器件时采用底接触结构。
76.参照图5，本发明提出一种基于硫化铅量子点的双工作模式红外光电探测器的制
备方法，包括以下步骤：
77.步骤s10、在重掺杂硅衬底一侧表面热生长形成一层sio2绝缘介电层20，重掺杂的si作为栅电极31；
78.其中，sio2介电层的厚度为300nm。
79.步骤s20、使用磁控溅射方法，在所述绝缘介电层20的一侧面上沉积igzo薄膜，以形成半导体层10；
80.igzo具有电子能带隙，能够降低红外光探测器中的暗电流，沉积igzo薄膜的厚度为10nm，半导体层10也可以由具有电子能带隙的材料制得。
81.步骤s30、在所述半导体层10上热蒸发沉积铝电极，以形成源电极32、漏电极33；使用掩膜版规定源电极32和漏电极33的形状与大小，从而使二者之间形成长宽分别为400微米和2毫米的沟道。
82.步骤s40、在半导体层上旋涂法沉积硫化铅量子点薄膜，并进行表面基团置换，以形成红外光敏层40。其中，硫化铅量子点直径为5-20nm，表面基团从油酸(oa)基团置换为巯基丙酸(mpa)基团。
83.步骤s40的步骤具体包括：
84.使用热注入法，合成以正己烷为溶剂的硫化铅量子点胶体溶液；
85.使用旋涂法将量子点胶体溶液沉积成为量子点薄膜，每次旋涂后进行表面基团置换，每次旋涂沉积厚度为10-30nm；
86.多次重复旋涂，以所述硫化铅量子点胶体溶液沉积总厚度20-200nm的硫化铅量子点薄膜。
87.步骤s50、通过磁控溅射方法使用掩膜版在所述红外光敏层40上沉积ito薄膜，以形成红外透明电极50，ito为具有高导电性与红外透过性的薄膜，红外透明电极50也可以采用其他具有高导电性与红外透过性的材料制得。
88.本发明通过上述步骤制得的红外光电探测器。其中，由步骤s10制得绝缘介电层20及栅电极31，由步骤s20制得半导体层10，由步骤s30制得源电极32及漏电极33，由步骤s40制得红外光敏层40，由步骤s50制得红外透明电极50。
89.由于本发明的制作工艺采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
90.以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。