CN107706262B - 光晶体管结构的柔性紫外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提出一种无机钙钛矿光晶体管结构的紫外探测器。基底(1)为玻璃基底，在基底(1)上制备CsPbX3薄膜(2)作为有源层，在CsPbX3薄膜(2)表面制备同物质的CsPbX3量子点(5)掺杂的PMMA有机层(4)作为栅绝缘层，以此为紫外光感应窗口；薄膜晶体管的源极(3.1)、漏Au电极(3.2)分别位于CsPbX3薄膜(2)上的两边，FTO栅极(6)位于CsPbX3薄膜(2)的上的中间，在薄膜晶体管的源极(3.1)、漏Au电极(3.2)和FTO栅极(6)调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。光晶体管探测器可采用如图1所示的顶栅结构，也可以采用如图2所示的底栅结构。以上两种结构可制备在玻璃基板上，也可以制备在柔性基板上形成底栅或顶栅结构的柔性光晶体管紫外探测器。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型光晶体管结构的紫外探测器技术,属于光电探测技术领域。
背景技术
紫外光电探测器及其相关技术在军用民用都有着广泛的应用，如在导弹预警与跟踪、紫外光通讯、引擎工作监测、深空探索研究、紫外天文学、环境监测、火灾探测与报警、以及医学检测等等。因此，紫外探测技术一直是国际上的研究热点以及各国主要竞争的技术领域之一。
随着信息技术的发展，在提高性能的同时，迫切需求紫外探测器件向着小型化、阵列化和柔性化的方向发展。而对于半导体为主的紫外探测器件，通常需要在单晶材料上通过分子束外延等手段制备，并且探测器靶面工艺和单晶硅读出集成电路(ROIC)工艺不兼容，所以它们只能单独制备，难以实现器件的小型化和阵列化。随着新型纳米材料和制备技术的发展，溶液法制备的半导体材料兴起以及所具有的优势，使紫外探测器不仅可以实现小型化、阵列化，而且有实现柔性化的潜能。在此基础上，如何充分发挥这类半导体材料的优势，设计新的材料和器件，以克服传统探测器固有的限制，或者与传统半导体探测器结合，进一步提高紫外探测的性能，都成为近年来的研究热点和趋势。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种无机钙钛矿CsPbX3量子点与薄膜有机结合的新型光晶体管结构的紫外光探测器。采用CsPbX3薄膜为有源层，采用相同物质CsPbX3的量子点掺杂的有机层PMMA为栅绝缘层制备光晶体管，并以CsPbX3量子点为紫外光感应窗口，在薄膜晶体管三极调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。
技术方案：本发明的一种无机钙钛矿光晶体管结构的紫外探测器，基底为玻璃基底，在基底上制备CsPbX3薄膜作为有源层，在CsPbX3薄膜表面制备同物质的CsPbX3量子点掺杂的PMMA有机层作为栅绝缘层，以此为紫外光感应窗口；薄膜晶体管的源极、漏Au电极分别位于CsPbX3薄膜上的两边，FTO栅极位于CsPbX3薄膜的上的中间，在薄膜晶体管的源极、漏Au电极和FTO栅极调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。
或：
基底为玻璃基底，在基底上制备FTO导电薄膜层作为栅极，在栅极上制备CsPbX3量子点掺杂的PMMA有机层作为栅绝缘层，在栅绝缘层上旋涂同质的CsPbX3薄膜为有源层，源极、漏Au电极分别位于CsPbX3薄膜的两边，在薄膜晶体管的源极、漏Au电极和FTO栅极调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。
其中：
所述的基底可为柔性PET衬底。
所述的栅绝缘层中掺杂的CsPbX3量子点与有源层的CsPbX3薄膜形成同质结构，降低了栅极与有源层间的势垒，利于光生载流子对有源层的注入，在源、漏电极作用下，可获取放大的光电流，提高紫外光探测性能。
所述的栅绝缘层通过将CsPbX3和PMMA充分溶解于甲苯溶剂中，采用溶液旋涂法在相应材料表面进行成膜，并进行退火处理得到。
所述的CsPbX3和PMMA充分溶解于甲苯溶剂中的比例为：CsPbX3浓度1mg/ml至5mg/ml，PMMA浓度为2wt％至10wt％。
采用磁控溅射技术制备FTO透明薄膜，通过光刻技术制备FTO栅电极。
新型的光晶体管顶栅结构的紫外光探测器工作原理为：在栅、源、漏电极加以电压，通过紫外光照射感应窗口，CsPbX3量子点产生的光生载流子在栅极偏压下分离并注入有源层形成沟道，源漏电极得以导通形成光电流，完成了光信号向电信号的转变，实现了光电探测器的探测功能。
新型的光晶体管底栅结构的紫外光探测器，其结构由衬底起依次有带有刻蚀电极的衬底，之上制备CsPbX3的量子点掺杂的有机层PMMA作为栅绝缘层，在栅绝缘层上制备同种CsPbX3材料的薄膜作为有源层，有源层上利用光刻技术以及湿法刻蚀工艺形成覆盖在器件有源层通孔处制备Au电极作为源漏电极。
新型的光晶体管底栅结构的紫外光探测器工作原理为：在栅、源、漏电极加以电压，通过紫外光照射感应窗口，CsPbX3量子点产生的光生载流子在栅极偏压下分离并注入有源层形成沟道，源漏电极得以导通形成光电流，完成了光信号向电信号的转变，实现了光电探测器的探测功能。
以上两种结构的光晶体管探测器，均可采用柔性衬底从而实现柔性器件的制备，器件结构和原理与上述光晶体管结构相同。
有益效果：
1、采用晶体管结构，实现紫外信号的探测、读出与放大集成，保证器件高响应度。
2、PMMA作为栅绝缘层，对CsPbX3量子点起到钝化层的保护作用，既不影响光感应窗口接收紫外光，又避免接触外部环境，增加其稳定性。
3、CsPbX3量子点作为感应窗口，充分发挥其在紫外段具有高的光吸收能力、量子效率高、稳定的优势，制备得到器件具有高探测率。
4、CsPbX3薄膜作为有源层，利用高载流子迁移率的优势，采用薄膜晶体管的栅极控制下对光生载流子的快速分离，以及信号放大作用，实现了将紫外信号的探测、读出与放大集成。
5、掺杂CsPbX3量子点的PMMA栅绝缘层与CsPbX3薄膜的有源层形成同质结构，降低了栅绝缘层与有源层之间的势垒，大大加强了光生载流子的注入和分离，提高了光晶体管的探测性能。
6、该器件采用溶液法低温工艺制备，可选取柔性衬底实现器件柔性化。
附图说明
图1为本发明的无机钙钛矿CsPbX3光晶体管结构的紫外光探测器第一种结构示意图。
图2为本发明的无机钙钛矿CsPbX3光晶体管结构的紫外光探测器第二种结构示意图。
图中有：基底1、CsPbX3薄膜2、源极3.1、漏Au电极3.2、PMMA有机层4、CsPbX3量子点5、FTO栅极6。
具体实施方式
本设计采用源、栅、漏平面结构的薄膜晶体管结构，CsPbX3薄膜为有源层。源、漏电极均采用Au作为电极材料，与CsPbX3薄膜形成良好的欧姆接触。
下面结合附图和技术方案详细叙述本发明的具体实施过程，但本发明绝非仅局限于实施案例。
实施例1：
本发明的第一种无机钙钛矿光晶体管结构的紫外探测器，基底1为玻璃基底，在基底1上制备CsPbX3薄膜2作为有源层，在CsPbX3薄膜2表面制备同物质的CsPbX3量子点5掺杂的PMMA有机层4作为栅绝缘层，以此为紫外光感应窗口；薄膜晶体管的源极3.1、漏Au电极3.2分别位于CsPbX3薄膜2上的两边，FTO栅极6位于CsPbX3薄膜2的上的中间，在薄膜晶体管的源极3.1、漏Au电极3.2和FTO栅极6调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。所用CsPbX3量子点材料通过热注入法合成，合成产物经过8000rpm，10min离心之后，废弃上清液，去沉淀溶解于甲苯或己烷中。
光晶体管制备流程如下：
a)制备沟道层：采用旋涂法在玻璃基底1上制备CsPbX3薄膜2，旋涂速度2000rpm，时间30s，CsPbX3量子点浓度20mg/mL，140℃退火15min。
b)制备栅绝缘层4：将CsPbX3量子点和PMMA摩尔比溶于甲苯溶液，浓度20mg/mL，在已形成沟道的基板表面采用旋涂法成膜，速度2000rpm，时间30s，并进行退火处理，退火温度130℃，形成一定厚度具备光响应特性均匀的栅极绝缘层。
c)制备感应窗口：在前述的栅绝缘层的表面，光刻出用以连接器件接触层与后述透明电极间的导通孔图案。并再次利用RIE干刻蚀技术，刻蚀出连接源漏电极的电极口
d)制备电极3：最后采用蒸镀技术制备Au膜，利用光刻技术以及湿法刻蚀工艺形成覆盖在器件有源层通孔处制备Au电极作为源漏电极。采用磁控溅射技术制备FTO透明薄膜，通过光刻技术制备FTO栅电极6。
实施例2：
本发明的第二种无机钙钛矿光晶体管结构的紫外探测器，基底1为玻璃基底，在基底1上制备FTO导电薄膜层作为栅极6，在栅极6上制备CsPbX3量子点5掺杂的PMMA有机层4作为栅绝缘层，在栅绝缘层上旋涂同质的CsPbX3薄膜2为有源层，源极3.1、漏Au电极3.2分别位于CsPbX3薄膜2的两边，在薄膜晶体管的源极3.1、漏Au电极3.2和FTO栅极6调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。CsPbX3量子点合成、提纯方式同实施例1.
光晶体管制备流程如下：
a)制备FTO栅极6：在玻璃衬底1上采用磁控溅射技术制备FTO透明薄膜，通过光刻技术制备FTO栅电极。
b)制备栅绝缘层4：将CsPbX3量子点和PMMA摩尔比溶于甲苯溶液，浓度20mg/mL，在已形成FTO栅极的基板表面采用旋涂法成膜，速度2000rpm，时间30s，并进行退火处理，退火温度140℃，形成一定厚度具备光响应特性均匀的栅极绝缘层。
c)制备沟道层2：采用旋涂法在栅绝缘层上制备CsPbX3薄膜，旋涂速度2000rpm，时间30s，CsPbX3量子点浓度20mg/mL，130℃退火15min。
d)制备感应窗口和电极流程同实施例1
实施例3：
CsPbX3量子点合成、提纯方式同实施例1.
柔性光晶体管制备流程如下：
a)制备FTO栅极6：在PET衬底1上采用磁控溅射技术制备FTO透明薄膜，通过光刻技术制备FTO栅电极。
b)制备栅绝缘层4：将CsPbX3量子点和PMMA摩尔比溶于甲苯溶液，浓度20mg/mL，在已形成FTO栅极的基板表面采用旋涂法成膜，速度2000rpm，时间30s，并进行退火处理，退火温度140℃，形成一定厚度具备光响应特性均匀的栅极绝缘层。
c)制备沟道层：采用旋涂法在栅绝缘层上制备CsPbX3薄膜2，旋涂速度2000rpm，时间30s，CsPbX3量子点浓度20mg/mL，130℃退火15min。
d)制备感应窗口和电极流程同实施例1
以上实施例仅给出了部分具体的应用例子，但对于从事光电探测器的专利人员而言，还可根据以上启示设计出多种变形产品，这仍被认为涵盖于本发明之中。
Claims (5)
1.一种光晶体管结构的柔性紫外探测器，其特征在于，基底(1)为玻璃基底，在基底(1)上制备CsPbX3薄膜(2)作为有源层，在CsPbX3薄膜(2)表面制备同物质的CsPbX3量子点(5)掺杂的PMMA有机层(4)作为栅绝缘层，以此为紫外光感应窗口；薄膜晶体管的源极(3.1)、漏Au电极(3.2)分别位于CsPbX3薄膜(2)上的两边，FTO栅极(6)位于CsPbX3薄膜(2)的上的中间，在薄膜晶体管的源极(3.1)、漏Au电极(3.2)和FTO栅极(6)调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测；
或，基底(1)为玻璃基底，在基底(1)上制备FTO导电薄膜层作为FTO栅极(6)，在FTO栅极(6)上制备CsPbX3量子点(5)掺杂的PMMA有机层(4)作为栅绝缘层，在栅绝缘层上旋涂同质的CsPbX3薄膜(2)为有源层，源极(3.1)、漏Au电极(3.2)分别位于CsPbX3薄膜(2)的两边，在薄膜晶体管的源极(3.1)、漏Au电极(3.2)和FTO栅极(6)调制下，获得光生载流子分离、转换的电信号读取、放大的集成功能，以实现高响应度的紫外信号探测。
2.根据权利要求1所述的光晶体管结构的柔性紫外探测器，其特征在于，所述的基底(1)为柔性PET衬底。
3.根据权利要求1或2所述的光晶体管结构的柔性紫外探测器，其特征在于所述的栅绝缘层中掺杂的CsPbX3量子点与有源层的CsPbX3薄膜形成同质结构，降低了栅极与有源层间的势垒，利于光生载流子对有源层的注入，在源、漏电极作用下，可获取放大的光电流，提高紫外光探测性能。
4.根据权利要求3所述的光晶体管结构的柔性紫外探测器，其特征在于所述的栅绝缘层通过将CsPbX3和PMMA充分溶解于甲苯溶剂中，采用溶液旋涂法在相应材料表面进行成膜，并进行退火处理得到。
5.根据权利要求3所述的光晶体管结构的柔性紫外探测器，其特征在于所述的CsPbX3和PMMA充分溶解于甲苯溶剂中的比例为：CsPbX3浓度1mg/ml至5mg/ml，PMMA浓度为2wt％至10wt％。
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