CN101969101B - 酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电子技术领域，尤其是光导型有机半导体探测器。一种酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，包括衬底，金属或透明导电电极以及有机红外光敏材料层等，其特征在于所说的光敏材料是具有三明治结构的酞菁稀土，这种有机红外半导体探测器光敏材料的电学参数可控，从而可以通过受主掺杂使器件的电阻在三个数量级的范围调控，增强了器件性能的调控性及其与红外系统的兼容性，其光敏材料是有机红外半导体材料，其可以在硅基集成电路、廉价衬底玻璃、石英片及柔性塑料衬底上制备大面积、成本低廉对1.3~1.8微米近红外光有响应的有机红外光导探测器，具有工艺简单，成本低廉，性能可控等优点。

Description

酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其是光导型有机半导体探测器。
背景技术
红外探测器是红外技术中最重要的应用之一，而红外探测器材料又是影响红外探测器性能的直接因素，红外材料的发展可直接影响红外探测器的性能及应用。目前实用化的量子型红外探测器主要是碲镉汞为主的无机材料，这些材料存在的问题是：制备成本高、工艺复杂、不能在廉价基片尤其是在硅衬底及金属电极上制备，从而限制了具有重要军事应用的红外探测器的应用。
有机半导体材料相对于无机半导体材料，具有价廉质轻、溶解性好、易加工成大面积柔性器件和通过分子剪裁调控光电性能的优势。有机半导体材料作为一种光电响应材料如能实现红外探测，则可以克服无机半导体材料的诸多缺点。
有机红外探测器材料的研究是近年才开展起来的。一般的有机/聚合物材料在大于1.00??m波长范围的红外区域没有光活性。1999年意大利米兰理工大学合成出一种新的有机材料——金属-双硫醇烯类络合物，2004年报道了这类材料在0.60～0.90??m处的光电响应性能。
至今有关有机半导体材料和器件的基础及应用研究主要集中在有机发光显示及有机光伏太阳能电池上，很少有研究报道有机红外半导体材料及器件，目前的有机红外半导体种类很少，可以应用到探测器上的更少。而且，由于有机半导体分子间通常为范德华作用力，载流子迁移率低，光敏材料电阻率很大，性质接近绝缘体，这些因素都限制了有机红外半导体在红外探测领域的应用。
发明内容
本发明的目的就是要针对无机红外探测器成本高、有毒、需制冷、不能实现柔性基底探测等要求而发明的新型有机红外光导探测器。
本发明的酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，包括衬底，金属或透明导电电极以及有机红外光敏材料层等，其特征在于所说的有机红外光敏材料层是具有三明治结构的酞菁稀土，这种三明治结构的酞菁稀土的结构是由上下两个酞菁环，中心一个稀土离子构成。
所说的酞菁稀土材料是酞菁铒或酞菁钆等在近红外有光电响应的酞菁稀土材料。
所说的探测器结构为光导型结构中的MSM构型，如叉指形或蛇形或条状或螺旋形或圆环形。
所说的有机红外光敏材料层酞菁稀土可进行碘受主掺杂，其中碘和酞菁稀土的掺杂质量比范围为大于等于0且小于等于3/7。
所说的探测器的电极包括Au电极、Cr电极、Ag电极、Pt电极、Al电极、Ti电极、Ni电极、C电极及ITO透明电极、ZAO透明电极，以及上述金属/金属或金属/透明电极的复合电极。
所说的的有机红外光敏材料层的制备技术包括四种技术，它们分别是溶液浇注、溶液旋涂、溶液打印或印刷、以及热蒸发技术。
在本发明中光敏层酞菁稀土的三明治结构的体系的共轭程度增大，利于降低材料的能带隙；光导型结构是指电极为一种金属的平面型结构，MSM构型是指金属-半导体-金属在同一平面，如蛇形就是有机半导体呈现为蛇形，另外两边为金属电极，螺旋型就是内外电极呈螺旋形排列，内外电极间距固定；在本发明中有机红外半导体探测器其材料电导率可以通过碘受主掺杂的技术进行3个数量级范围的调制，使电导率增加三个数量级；本发明的有机光敏膜的制备技术包括四种技术，它们分别是溶液浇注、溶液旋涂、溶液打印或印刷、以及热蒸发技术。具体而言，通过选择一定极性、一定粘度的溶剂溶解酞菁稀土，通过溶液浇注、旋涂或印刷的方式制备光敏材料，也可以通过热蒸发的方法制备光敏材料薄膜。
本发明的优点在于：
1.      光敏材料的电学参数可控，从而可以通过受主掺杂使器件的电阻在三个数量级的范围
调控，增强了器件性能的调控性及其与红外系统的兼容性。
2、本发明的光敏材料是有机红外半导体材料，其可以在硅基集成电路、廉价衬底玻璃、石英片及柔性塑料衬底上制备大面积、成本低廉，对1.3~1.8微米近红外光有响应的有机红外光导探测器，具有工艺简单，成本低廉，性能可控等优点，因此新颖性突出、应用范围广、市场前景可观。
附图说明
图1为酞菁稀土化学结构示意图。
图2为酞菁铒的红外吸收光谱图。
图3为叉指型有机红外酞菁稀土光导型探测器结构示意图。
图4为未掺杂酞菁铒的ln（ρ）-1/T关系图。
图5为质量比5%碘受主掺杂酞菁铒的ln（ρ）-1/T关系图。
图中1是衬底，2是酞菁稀土层，3是电极。
具体实施方式
实施例1：
如图3所示，本发明的具有电学可调控性的酞菁稀土类有机红外半导体探测器，包括：衬底1，在衬底上用磁控溅射或电子束蒸发方法制备金属或透明导电电极3，通过实施光刻工艺，将电极结构制作成叉指形、蛇形、环形、条形、螺旋形电极2，然后用溶液浇注、旋涂、印刷或热蒸发的方法在电极结构上沉积酞菁稀土光敏层2；或在衬底1上用溶液或热蒸发的方法沉积酞菁稀土薄膜，然后用掩模板盖在酞菁稀土薄膜上，用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射在酞菁稀土薄膜上沉积电极。
本发明所述的衬底1材料为廉价的玻璃、石英、柔性塑料片、硅基电路或陶瓷。
具体的制备工艺如下：
（1）            在玻璃衬底上用磁控溅射沉积50 nm的Cr膜和3μm厚度的Au膜，其中Cr膜是使金在玻璃衬底上的结合力增强，从而不易脱落； 
（2）            在Au膜上旋涂2~3μm厚的光刻胶，在80℃前烘5分钟，在紫外光下曝光；
（3）            在显影液中将光胶形成一定的叉指形图形；
（4）            在80℃烘膜5分钟，进行坚膜；
（5）            用等离子刻蚀或剥离技术使金属电极形成指间距为3μm的叉指形图案；（蛇形、环形、条形、螺旋形都用同样的工艺）
（6）            去掉光胶，得到在玻璃衬底上具有叉指形图形的金属电极；
（7）            用氯仿溶解一定量的酞菁稀土（或酞菁稀土和碘）；
（8）            用滴管将酞菁稀土溶液（或酞菁稀土和碘的混合溶液）滴到金属叉指电极上，待氯仿挥发后，酞菁稀土或掺杂的酞菁稀土就在金属叉指电极之间成膜，从而形成器件。
实施例：2
在石英衬底上用磁控溅射沉积30 nm的Cr膜和5μm厚度的Au膜； 在Au膜上旋涂2~3μm厚的光刻胶，在80℃前烘5分钟，在紫外光下曝光；在显影液中将光胶形成一定的条形图形；在80℃烘膜5分钟，进行坚膜；用等离子刻蚀或剥离技术使金属电极形成间距为3μm的条形图案；去掉光胶，得到在石英衬底上具有条形图案的金属电极；用氯仿溶解酞菁钆和碘（质量比95：5）；用滴管将碘掺杂酞菁钆溶液滴到金属条电极上，待氯仿挥发后，碘掺杂的酞菁钆就在金属条电极之间成膜，从而形成器件。
实施例：3
用热蒸发技术在聚碳酸酯衬底上沉积1μm的酞菁铒薄膜，用掩模板盖在酞菁铒上，用射频磁控溅射技术在酞菁铒上沉积300nm Au膜，其中用的掩模板具有如下结构：叉指结构电极，指间距3μm，指长30μm。
实施例：4
用热蒸发技术在陶瓷衬底上沉积1μm的酞菁铒薄膜，用掩模板盖在酞菁铒上，用电子束蒸发技术在酞菁铒上沉积300nm Ag膜，其中用的掩模板具有如下结构：条形结构电极，条宽3μm，条长30μm，条间距3μm。
实施例：5
用热蒸发技术在硅（表层有300nm厚氧化硅）衬底上沉积1μm的酞菁钆薄膜，用掩模板盖在酞菁钆上，用电子束蒸发技术在酞菁钆上沉积300nm Ti膜，其中用的掩模板具有如下结构：螺旋形结构电极，其中内外螺旋电极间距3μm。
实施例：6
在玻璃衬底上用光刻工艺制备厚度为2μm的Ag叉指型电极，其中，指宽2μm，指间距2μm，指长30μm。然后用热蒸发技术在电极上沉积1μm厚的酞菁钆。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，然而，本发明的范围不局限于上述的这个具体实施例，即凡依据本发明所揭示的精神而作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，包括衬底（1），金属或透明导电电极（3）以及有机红外光敏材料层（2），其特征在于所说的有机红外光敏材料层是具有三明治结构的酞菁稀土，这种三明治结构的酞菁稀土的结构是由上下两个酞菁环，中心一个稀土离子构成，所说的有机红外光敏材料层（2）进行碘受主掺杂，其中碘和酞菁稀土的掺杂质量比范围为大于等于0且小于等于3/7。
2.如权利要求1所述的酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，其特征在于所说的酞菁稀土是在近红外有光电响应的酞菁稀土。
3.如权利要求2所述的酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，其特征在于所说的在近红外有光电响应的酞菁稀土是酞菁铒或酞菁钆。
4.如权利要求1所述的酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，其特征在于所说的探测器结构为光导型结构中的MSM构型。
5.如权利要求1所述的酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，其特征在于所说的探测器的电极（3）包括Au电极、Cr电极、Ag电极、Pt电极、Al电极、Ti电极、Ni电极、C电极及ITO透明电极、ZAO透明电极，以及上述金属/金属或金属/透明电极的复合电极。
6.如权利要求1所述的酞菁稀土类有机红外半导体光导型探测器，其特征在于所说的有机红外光敏材料层（2）的制备技术包括四种技术，它们分别是溶液浇注、溶液旋涂、溶液打印或印刷、以及热蒸发技术。
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