CN107230743A - 一种新型光电位置敏感传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型光电位置敏感传感器，包括透明衬底(101)、ITO背电极(201)、N型层(301)、I型层(401)、P型层(501)、第一电极(601)和第二电极(602)组成。通过传感器整体结构和各功能层的巧妙设计，本发明的新型光电位置敏感传感器性能优异，制备简单，成本低廉，基底兼容性好，易于制成大面积器件。

Description

一种新型光电位置敏感传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种新型光电位置敏感传感器。
背景技术
位置敏感传感器是利用半导体的横向光电效应的光电转换器件。 它具有位置分辨率高、测试精度高、响应速度快、光敏面连续、无盲区等优点,在精密测距和定位上得到了广泛的应用。传统的位置敏感传感器使用非晶硅等无机材料薄膜作为激活介质层，制备工艺复杂，成本高，器件兼容性能较差。另一方面，降低器件的制备成本的同时提高位置敏感传感器的响应度和带宽等特性参数对于提高位置敏感传感器的器件性能至关重要，有利于位置敏感传感器的产业化。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种新型光电位置敏感传感器及其制备方法。为实现此目标，本发明采用的技术方案为：
一种新型光电位置敏感传感器，包括透明衬底、ITO背电极、N型层、I型层、P型层、第一电极和第二电极组成；
所述ITO背电极设于透明衬底之上，厚度为150 nm；
所述ITO背电极的形状为矩形，长为5 cm，宽为2 mm；
所述N型层为TiO2，设于所述的ITO背电极之上，并将ITO背电极完全覆盖，N型层厚度为20 nm；
所述I型层设于N型层之上，并将N型层完全覆盖，I型层为混合的有机体异质结结构，其中受体有机材料为C70，混合体异质结中C70所占比例为质量比70-95%，所述I型层的厚度为100 nm；
所述P型层设于I型层之上，并将I型层完全覆盖，P型层为MoO3与金属Au的混合膜，MoO3与Au的混合比例为质量比1：1，P型层的厚度为50 nm；
所述第一电极和第二电极设于P型层之上，位于P型层的两端，第一电极和第二电极的大小均为2 mm×2 mm，所述第一电极和第二电极为Au电极，厚度为100 nm。
进一步的，所述的ITO背电极、第一电极和第二电极处都设有引线。
进一步的，所述的I型层中混合体异质结给体和受体的最高已占轨道HOMO能级差为0.6-0.9 eV。
新型光电位置敏感传感器的制造包括以下步骤：
步骤1、提供一透明衬底，在所述透明衬底上通过PVD的方法沉积一层ITO；
步骤2、 将形成了ITO的透明衬底使用胶带进行选择性刻蚀，得到长为5 cm 宽为2 mm的ITO背电极；刻蚀的方法为采用体积比为5% HNO3、45% HCl和50% H20的混合刻蚀液，在70℃条件下刻蚀5分钟；
步骤3、透明衬底和ITO背电极采用乙醇、去离子水、异丙醇依次超声清洗20分钟，氮气吹干后紫外照射20分钟；
步骤4、采用原子层沉积的方法，ITO背电极上沉积一层20 nm厚的TiO2作为N型层；
步骤5、采用热蒸镀的方法，在N型层上依次沉积I型层、P型层、第一电极和第二电极。
进一步的，所述的I型层和P型层采用双源共蒸的方法制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)提供了一种结构简单、制作方便、成本低、可与柔性基底兼容，易于实现大面积器件的新型光电位置敏感传感器及其制备方法；(2)通过有机体异质结结构的设计来提高光电位置敏感传感器对入射光的吸收率和激子拆解效率,以提高其响应度和带宽；(3) 本发明的光电位置敏感传感器对光源、光学系统的要求比较低、检出位置的同时还能检出光强。(4)通过P型层与N型层的巧妙设计，大幅降低器件的暗电流。
附图说明
图1为本发明的侧视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的传感器的等效电路模型图。
图中：101、透明衬底，201、ITO背电极，301、N型层，401、I型层，501、P型层，601、第一电极，602、第二电极。
具体实施方式
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做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。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案： 一种新型光电位置敏感传感器，包括透明衬底(101)、ITO背电极(201)、N型层(301)、I型层(401)、P型层(501)、第一电极(601)和第二电极(602)组成；所述ITO背电极(201)设于透明衬底(101)之上，厚度为150 nm；所述ITO背电极(201)的形状为矩形，长为5 cm，宽为2 mm；所述N型层(301)为TiO2，设于所述的ITO背电极(201)之上，并将ITO背电极(201)完全覆盖，N型层(301)厚度为20 nm；所述I型层(401)设于N型层(301)之上，并将N型层(301)完全覆盖，I型层(401)为给体与受体两种有机材料混合的体异质结结构，其中受体有机材料为C70，混合体异质结中C70所占质量比70-95%，例如选择C70的质量比为95%或者70%，所述的I型层(401)中混合体异质结给体和受体的最高已占轨道HOMO能级差为0.6-0.9 eV，例如选择TAPC、rubrene、SubPc、NPB、TioPc中的任一中作为I型层中的给体；所述I型层(401)的厚度为100 nm；所述P型层(501)设于I型层(401)之上，并将I型层(401)完全覆盖，P型层(501)为MoO3与金属Au的混合膜，MoO3与Au的混合比例为质量比1：1，P型层(501)的厚度为50 nm；所述第一电极(601)和第二电极(602)设于P型层(501)的两端，第一电极(601)和第二电极(602)的大小均为2 mm×2 mm，所述第一电极(601)和第二电极(602)为Au电极，厚度为100 nm。所述的ITO背电极(201)、第一电极(601)和第二电极(602)处都设有引线。
一种新型光电位置敏感传感器的制造方法，传感器的制造包括以下步骤：
步骤1、提供一透明衬底(101)，例如石英玻璃，在所述透明衬底(101)上通过PVD的方法，例如磁控溅射的方法沉积形成一层ITO；步骤2、 将形成了ITO的透明衬底使用胶带进行选择性刻蚀，得到长为5 cm 宽为2 mm的ITO背电极；刻蚀的方法为采用体积比为5% HNO3、45% HCl和50% H20的混合刻蚀液，在70℃条件下刻蚀5分钟；步骤3、透明衬底(101)和ITO背电极(201)采用乙醇、去离子水、异丙醇依次超声清洗20分钟，氮气吹干后紫外照射20分钟；步骤4、采用原子层沉积的方法，ITO背电极(201)上沉积一层20 nm厚的TiO2作为N型层(301)；步骤5、采用热蒸镀的方法，在N型层(301)上依次沉积I型层(401)、P型层(501)、第一电极(601)和第二电极(602)，热蒸镀过程中，所述的I型层(401)和P型层(501)采用双源共蒸的方法制备，并使用石英晶振片监控膜厚；步骤6、ITO背电极(201)、第一电极(601)和第二电极(602)处接出引线。
工作原理:当传感器表面受到光照射时 ,在光斑位置处的I层产生比例于光能量的电子-空穴对。产生的电子-空穴对在I层给受体异质结界面分解。由于采用体异质结构并选择特定的能级结构，C70受体中产生的电子-空穴对分解效率极高。分解产生的自由电子流过ITO背电极被外电路收集，由于采用ALD工艺制备的TiO2作为N型层平整、致密、电子传输性能好，并且能够有效阻挡空穴，可以降低器件的暗电流。分解产生的自由空穴流过MoO3与金属Au的混合膜的P层电阻 ,分别从设置在 P层相对的两个电极上输出光电流I1和I2,由于P层电阻是均匀的,电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离,第一电极和第二电极收集的光电流 I1 和 I2 可以用下面两种方式表示: I1=ID/2+I ph R2/(R1+R2), I2=ID/2+I ph R1/(R1+R2),其中ID是传感器的暗电流，I ph 传感器的光生电流，R1和R2是光斑入射处分别到达第一电极和第二电极处P型层的线电阻。光斑距离传感器中心点的位置可表示为Δx= L(I1-I2)/(2(I1+I2))，其中L为传感器的总长度5 cm。由于本发明I型层主要吸收物质为C70，而C70的吸收波段范围宽，吸收系数大，所以本发明的光电位置敏感传感器对光源、光学系统的要求比较低，例如可以选择300-700 nm范围任一波长的光作为传感器的工作光源，同时传感器在检出位置的同时还能检出光强。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种新型光电位置敏感传感器，包括透明衬底(101)、ITO背电极(201)、N型层(301)、I型层(401)、P型层(501)、第一电极(601)和第二电极(602)组成；所述ITO背电极(201)设于透明衬底(101)之上，厚度为150 nm；所述ITO背电极(201)的形状为矩形，长为5 cm，宽为2mm；所述N型层(301)为TiO2，设于所述的ITO背电极(201)之上，并将ITO背电极(201)完全覆盖，N型层(301)厚度为20 nm；所述I型层(401)设于N型层(301)之上，并将N型层(301)完全覆盖，I型层(401)为给体与受体混合的有机体异质结结构，其中受体有机材料为C70，混合体异质结中C70所占比例为质量比70-95%，所述I型层(401)的厚度为100 nm；所述P型层(501)设于I型层(401)之上，并将I型层(401)完全覆盖，P型层(501)为MoO3与金属Au的混合膜，MoO3与Au的混合比例为质量比1：1，P型层(501)的厚度为50 nm；所述第一电极(601)和第二电极(602)设于P型层(501)之上，位于P型层(501)的两端，第一电极(601)和第二电极(602)的大小均为2 mm×2 mm，所述第一电极(601)和第二电极(602)为Au电极，厚度为100nm。
2.根据权利要求1所述的一种新型光电位置敏感传感器的制造方法，其特征在于，传感器的制造包括以下步骤：
步骤1、提供一透明衬底(101)，在所述透明衬底(101)上通过PVD的方法沉积形成一层ITO；
步骤2、 将形成了ITO的透明衬底使用胶带进行选择性刻蚀，得到长为5 cm 宽为2 mm的ITO背电极；刻蚀的方法为采用体积比为5% HNO3、45% HCl和50% H20的混合刻蚀液，在70℃条件下刻蚀5分钟；
步骤3、透明衬底(101)和ITO背电极(201)采用乙醇、去离子水、异丙醇依次超声清洗20分钟，氮气吹干后紫外照射20分钟；
步骤4、采用原子层沉积的方法，ITO背电极(201)上沉积一层20 nm厚的TiO2作为N型层(301)；
步骤5、采用热蒸镀的方法，在N型层(301)上依次沉积I型层(401)、P型层(501)、第一电极(601)和第二电极(602)。
3.根据权利要求1所述的一种新型光电位置敏感传感器，其特征在于，所述的ITO背电极(201)、第一电极(601)和第二电极(602)处都设有引线。
4.根据权利要求1所述的一种新型光电位置敏感传感器，其特征在于，所述的I型层(401)中混合体异质结给体和受体的最高已占轨道HOMO能级差为0.6-0.9 eV。
5.根据权利要求2所述的一种新型光电位置敏感传感器的制造方法, 其特征在于，所述的I型层(401)和P型层(501)采用双源共蒸的方法制备。
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