CN108258118B - 基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器 - Google Patents

基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于体异质结‑分层结构的高性能有机晶体管光电探测器，包括衬底及依次设置在衬底上的栅极、栅极介电层、单分子自组装层、沟道半导体层和电荷传输层，所述电荷传输层上的部分区域还设置有源电极和漏电极，所述电荷传输层上的源电极和漏电极之间的沟道区域还设置有体异质结吸光层。本发明的有机晶体管光电探测器基于上述特定的分层结构，能充分利用CTE效应，有效分离光生激子并减少其复合几率，保证电荷载流子在沟道中的高效传输，明显提升OPTs器件的光探测灵敏度等综合性能。

Description

基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器
技术领域
本发明属于半导体光电器件领域，尤其涉及一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管、以及包含所述有机晶体管的光电探测器，更具体地涉及一种工作波段为紫外光、可见光、红外光及全波段的基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管。
背景技术
光电探测器是一种将光信号转化成电信号的器件，在军事和国民经济的各个领域都有重要的应用。在20世纪80年代前，光电探测器主要建立在无机半导体的基础上，如GaN和SiC等，其制备工艺复杂、成本较高。比较而言，以有机场效应晶体管(Organic Field-effect Transistors,OFETs)为功能器件的有机晶体管光电探测器(OrganicPhototransistors,OPTs)因具有灵敏度高、柔性好、重量轻、制备工艺简单、制造成本低、环保无害等诸多优点，逐步得到广泛使用。例如可见光或近红外光探测器可用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等领域，红外光电探测器可用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面，紫外光电探测器可用于紫外光通信、紫外制导、紫外成像、生物传感、森林火灾预警等。
为了提高OPTs的光探测灵敏度和响应速度等性能，人们做了大量的研究，除了选择合适的有机半导体材料、优化薄膜形貌及其制备方法以外，最新研究发现，还可以通过电荷俘获效应(Charge trapping effect，CTE)进行改善。即通过在光敏材料中加入极性介电聚合物或者在器件中引入极性介电聚合物层，使有机半导体材料和其它量子点材料形成体异质结或者层异质结，从而有效提高OPTs的探测性能。目前有关CTE效应对OPTs性能的研究已经开展了一些工作，但是依然存在几个重要的问题，下文以基于p型半导体材料的OPTs为例进行说明。
基于电子给体与受体分布形式的不同，OPTs分为层异质结和体异质结两种结构。对于层异质结结构，给、受体分别以层状薄膜的形式先后叠加，极性介电聚合物或者量子点可以在一定程度上促进激子的有效分离并且俘获电子，使光生空穴进入沟道区域产生光电流。但是由于有机半导体层有一定的厚度(比如100nm)，并含有晶界、杂质等缺陷，电子在穿过该有机层使会经历大量的散射，使其在被电子受体层俘获前需要经历较长的时间，此外在p型有机半导体中，电子很难迁移，在穿过有机层的过程中会有更大的几率和空穴复合，不能实现高效的激子分离和俘获电子。
对于体异质结结构，给、受体材料共混形成光电转换活性层，量子点或者极性介电聚合物被分散混合于有机半导体层中，激子可以有效地分离，并且电子无需穿过一定厚度的有机半导体层，从而快速地被离它最近的量子点束缚，这似乎解决了层异质结结构中存在的种种问题。但是由于在OPTs的沟道中也存在量子点或聚合物，当空穴在沟道中传输时，这些量子点或聚合物本身会成为空穴输运的障碍。空穴在有机半导体中通过跳跃模式传输，当沟道中存在量子点时，这些量子点本质上是n型半导体，相当于给空穴造成了大的势垒，空穴会受到散射及阻碍，从而不能实现高效输运，这将直接导致OPTs的光电流下降及响应时间延长(时间响应与沟道载流子的迁移率有关)。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种以薄层有机半导体材料作为沟道有源层、体异质结作为吸光层，具有单分子自组装层和电荷传输层的新型高性能有机晶体管光电探测器。基于上述特定的分层结构，本发明的有机晶体管光电探测器能充分利用CTE效应，有效分离光生激子并减少其复合几率，保证电荷载流子在沟道中的高效传输，明显提升OPTs器件的光探测灵敏度等综合性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器，包括衬底及依次设置在衬底上的栅极、栅极介电层、单分子自组装层、沟道半导体层和电荷传输层，所述电荷传输层上的部分区域设置有源电极和漏电极，所述电荷传输层上的源电极和漏电极之间的沟道区域还设置有体异质结吸光层。
优选的，栅极介电层的厚度为10nm-300nm，沟道半导体层的厚度为40-100nm，电荷传输层的厚度为2-10nm，源电极和漏电极的厚度为50-100nm，体异质结吸光层的厚度为40-100nm。
优选的，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述刚性衬底是玻璃或硅片，柔性衬底为塑料，例如PET塑料。
优选的，所述单分子自组装层为亲水材料或疏水材料。
优选的，所述亲水材料选自1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷(F-TS)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(NH2-TS)、苯基三甲氧基硅烷(P-TS)、3-溴丙基三乙氧基硅烷(Br-TS)、3-氯丙基三氯硅烷(Cl-TS)、3-氰基丙基三甲氧基硅烷(CN-TS)、3-巯基丙基三甲氧基硅烷(SH-TS)及3-碘丙基三甲氧基硅烷(I-TS)中的一种，所述疏水材料选自正辛基三氯硅烷(OTS)、聚甲基三乙氧基硅烷(PTS)及六甲基硅氧烷(HMDS)中的一种。
优选的，所述沟道半导体层为p型有机半导体或n型有机半导体。更优选的，所述沟道半导体层为p型有机半导体，更优选地，所述p型有机半导体为C8-BTBT材料。。
优选的，所述的电荷传输层为空穴传输层或电子传输层，其厚度为2-10nm；所述空穴传输层选自VOx、MoOx、NiOx、WOx及CuOx中的一种；电子传输层选自ZnO、TiOx、C60、PC61BM及PC71BM中的一种。更优选的，所述空穴传输层选自MoO3。
优选的，所述的体异质结吸光层包括主体吸光材料和电荷受体材料。
优选的，所述主体吸光材料为p型有机半导体或n型有机半导体；所述电荷受体材料包括无机量子点材料或富勒烯衍生物。更优选地，所述无机量子点材料为Pb、ZnO或CsPbBr3，富勒烯衍生物为PC61BM、PC71BM或C60。
优选的，所述体异质结吸光层的长度为400-1000μm，宽度为40-100μm。更具体的，所述体异质结吸光层的长度和宽度分别为1000μm和100μm，800μm和80μm，600μm和60μm，400μm和40μm。
优选的，选用的主体吸光材料和沟道半导体层的材料相同，例如主体吸光材料和沟道半导体层均为p型有机半导体；主体吸光材料和沟道半导体层均为n型有机半导体。
优选地，所述栅极为重掺杂p型Si，栅极介电层为SiO2，厚度为100-300nm。可选的，介电层还可以是Al2O3、HfO2、PS和PMMA。
优选地，所述源电极、漏电极材质为Au，厚度为50-100nm。源漏电极还可以是本领域中常用的其它金属材料，本领域技术人员可以根据有机半导体的HOMO或LUMO能级与金属功函数的匹配情况进行选择。
优选的，源电极、漏电极材质位于电荷传输层上的两侧，源电极和漏电极之间形成一沟道，体异质结吸光层则位于该沟道中。优选的，所形成的沟道的长度为400-1000μm，宽度为40-100μm。更具体的，所形成的沟道的长度和宽度分别为1000μm和100μm，800μm和80μm，600μm和60μm，400μm和40μm。
优选地，所述沟道、源电极和漏电极的尺寸可以通过掩膜板限定，本领域技术人员可根据实际的需要，选择相应尺寸的沟道、源电极和漏电极。
优选的，所述高性能有机晶体管光电探测器包括紫外光电探测器、红外光电探测器、可见光电探测器和全波段光电探测器。
本发明还提供了高性能有机晶体管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上的表面依次制备栅极和栅极介电层；
2)在栅极介电层上进行表面单分子层自组装处理，生成单分子自组装层；
3)在单分子自组装层上沉积沟道半导体层；
4)在沟道半导体层上形成电荷传输层；
5)在电荷传输层上真空蒸镀源电极和漏电极；
6)在电荷传输层上源电极和漏电极之间的沟道区域形成一层体异质结吸光层。
更具体的，高性能有机晶体管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底的表面依次制备栅极和栅极介电层，将衬底依次置于丙酮、醇溶剂、去离子水中超声5-20min清洗衬底，用N2枪吹干，再进行UV/臭氧或者O2等离子体处理5-10min；
2)将衬底置于0.1M的亲水性溶液或疏水性溶液中(溶剂为甲苯)于50-70℃下处理30-60min进行单分子层自组装处理，生成单分子自组装层，将衬底取出置于干净的甲苯中超声10-30s后用N2枪吹干；
3)将配制好的C8-BTBT溶液(溶剂为邻二氯苯)旋涂在经过单分子层自组装处理的衬底表面，或者在经过单分子层自组装处理的衬底表面真空蒸镀一层C8-BTBT薄膜，然后在热台上于60-100℃加热10-60min，沉积沟道半导体层；
4)用真空蒸镀在沟道半导体层沉积一层约1-10nm的MoO3(背底真空为2×10-4Pa)，形成MoO3电荷传输层；
5)通过掩膜板在电荷传输层上的两侧真空蒸镀一层60nm的Au作为源电极和漏电极，其中源电极和漏电极之间形成一沟道区域；
6)将C8-BTBT和PCBM的混合溶液(溶剂为邻二氯苯)旋涂在沟道区域，在热台上于80℃加热1h，形成体异质结吸光层，完成高性能有机晶体管光电探测器的制备。
更优选的，步骤1)中的醇溶剂选自常用的醇溶剂，例如异丙醇或乙醇。
更优选的，上述操作中，超声的时间为10min，UV/臭氧或者O2等离子体处理的时间为5min，单分子层自组装处理的温度和时间为60℃下处理30min；沉积沟道半导体层时的温度为80℃和加热时间为30min。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器的新型器件结构，利用薄层有机半导体材料作为沟道有源层以及利用体异质结作为吸光层，充分利用了TCE效应使得光生激子有效地分离并且减少了激子的复合几率，以及保证了电荷载流子在沟道中的高效传输，从而进一步提升了OPTs器件的光探测灵敏度等综合性能。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管的结构示意图；
图2是本发明实施例1的光电流/暗电流比以及光响应度随栅极电压变化的曲线；
图3是对比例1的光电流/暗电流比以及光响应度随栅极电压变化的曲线；
图4是本发明实施例2的光电流/暗电流比以及光响应度随栅极电压变化的曲线；
图5是对比例2的光电流/暗电流比以及光响应度随栅极电压变化的曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的光电探测器可以选用不同的有机半导体材料实现紫外光探测、可见光探测、红外探测以及全波段探测。本发明的光电探测器是基于有机场效应晶体管的基本结构，这种光探测器为多层结构，有机半导体层采用溶液法成膜，可以在玻璃、硅片等刚性衬底以及在PET等柔性衬底上实现。
本发明提供了一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器，包括衬底及依次设置在衬底上的栅极、栅极介电层、单分子自组装层、沟道半导体层和电荷传输层，所述电荷传输层上的部分区域设置有源电极和漏电极，所述电荷传输层上的源电极和漏电极之间的沟道区域还设置有体异质结吸光层。
本发明还提供了高性能有机晶体管光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上依次制备栅极和栅极介电层，将衬底依次置于丙酮、异丙醇或乙醇、去离子水中超声10min清洗衬底，用N2枪吹干；
2)将衬底进行UV/臭氧或者O2等离子处理；
3)在栅极介电层上进行表面单分子层自组装处理，生成单分子自组装层；
4)在单分子自组装层上沉积沟道半导体层；
5)在沟道半导体层上形成电荷传输层；
6)在电荷传输层上的两侧真空蒸镀源电极和漏电极，其中源电极和漏电极之间形成一沟道区域；
7)在电荷传输层上源电极和漏电极之间形成的沟道区域内形成一层体异质结吸光层。
实施例1
本实施例用于说明本发明提供的高性能有机晶体管紫外光电探测器及其制备方法。
在本实施例中，采用硅片作为衬底，C8-BTBT作为有机半导体材料，MoO3作为电荷传输层，PC61BM作为电荷受体材料，Au作为源、漏电极，所制备的光电探测器为紫外光电探测器。所采用的硅片为重掺杂p型Si作为栅极以及其表面有一层厚度为200nm的热氧化SiO2作为栅极介电层。
一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅衬底先后置于丙酮、异丙醇、去离子水中超声10min，用N2枪吹干，再进行UV/臭氧处理，处理时间为5min；
(2)将上述处理后的衬底置于0.1M的SH-TS甲苯溶液中，在60℃下处理30min进行单分子层自组装处理，然后取出，置于甲苯中超声20s后用N2枪吹干，得到单分子自组装层；
(3)在单分子自组装层上旋涂C8-BTBT的邻二氯苯溶液，然后置于热台上在80℃下加热30min，得到沟道半导体层；
(4)在背底真空为2×10-4Pa的环境下通过真空蒸镀在上述沟道半导体层上沉积一层2nm的MoO3，得到电荷传输层；
(5)通过掩膜板在电荷传输层的两侧分别真空蒸镀一层60nm的Au作为源电极和漏电极，其中源电极和漏电极之间形成一沟道区域，沟道区域的长度和宽度分别为1000μm和100μm；
(6)将C8-BTBT和PCBM的邻二氯苯混合溶液旋涂在电荷传输层上源电极和漏电极之间形成的沟道区域内，在热台上于80℃加热60min，形成体异质结吸光层，由此制得该高性能有机晶体管紫外光电探测器。
对比例1
一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅衬底先后置于丙酮、异丙醇、去离子水中超声10min，用N2枪吹干，再进行UV/臭氧处理，处理时间为5min；
(2)将上述处理后的硅衬底置于0.1M的SH-TS甲苯溶液中，在60℃下处理30min进行单分子层自组装处理，然后取出，置于甲苯中超声20s后用N2枪吹干，得到单分子自组装层；
(3)在单分子自组装层上旋涂C8-BTBT的邻二氯苯溶液，然后置于热台上在80℃下加热30min，得到半导体层；
(4)在背底真空为2×10-4Pa的环境下通过真空蒸镀在上述沟道半导体层上沉积一层2nm的MoO3，得到电荷传输层；
(5)通过掩膜板在电荷传输层的两侧分别真空蒸镀一层60nm的Au作为源电极、漏电极，制备得到有机晶体管紫外光电探测器。
该有机晶体管紫外光电探测器不含有C8-BTBT/PCBM体异质结吸光层。
测试例1
本测试例用于说明实施例1和对比例1制备的有机晶体管光电探测器的性能测试。
测试仪器为配有标准探针台的Keithley 4200-SCS半导体分析仪；测试过程在黑暗环境中进行，测试条件如下：栅极电压调节范围为20V到-60V，源漏电压固定为-60V，采用可以调节波长和光强的氙灯系统作为光源在365nm的紫外波段下进行测试，入射光强度为0.064mW cm-2，并通过紫外光强计确定不同的入射光强度。
本发明实施例1及对比例1的测试结果如图2、3所示，可以看出，实施例1的最大光电流/暗电流比为7×104，最大的光响应度为3483A/W，对比例1的最大光电流/暗电流比为8.2，最大的光响应度为210A/W。由此可见，与对比例1的光电探测器相比，本发明的基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器在光响应度等综合性能上有非常显著的提升。
实施例2
本实施例用于说明本发明提供的高性能有机晶体管紫外光电探测器及其制备方法。
在本实施例中，采用硅片作为衬底，C8-BTBT作为有机半导体材料，MoO3作为电荷传输层，PC61BM作为电荷受体材料，Au作为源、漏电极，所制备的光电探测器为紫外光电探测器。所采用的硅片为重掺杂p型Si作为栅极以及其表面有一层厚度为200nm的热氧化SiO2作为栅极介电层。
一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅衬底先后置于丙酮、异丙醇、去离子水中超声10min，用N2枪吹干，再进行UV/臭氧处理，处理时间为5min；
(2)将上述处理后的硅衬底置于0.1M的OTS甲苯溶液中，在60℃下处理30min进行单分子层自组装处理，然后取出，置于甲苯中超声20s后用N2枪吹干，得到单分子自组装层；
(3)在单分子自组装层上真空蒸镀一层厚度为50nm的C8-BTBT薄膜，然后置于热台上在100℃下加热10min，得到沟道半导体层；
(4)在背底真空为2×10-4Pa的环境下通过真空蒸镀在上述沟道半导体层上沉积一层2nm的MoO3，得到电荷传输层；
(5)通过掩膜板在电荷传输层的两侧分别真空蒸镀一层60nm的Au作为源电极、漏电极，其中源电极和漏电极之间形成一沟道区域，沟道区域的长度和宽度分别为1000μm和100μm；
(6)将C8-BTBT和PCBM的邻二氯苯混合溶液旋涂在电荷传输层上源电极和漏电极之间形成的沟道区域内，在热台上于80℃加热60min，形成体异质结吸光层，由此制得该高性能有机晶体管紫外光电探测器。
对比例2
一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管紫外光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅衬底先后置于丙酮、异丙醇、去离子水中超声10min，用N2枪吹干，再进行UV/臭氧处理，处理时间为5min；
(2)将上述处理后的衬底/栅极/栅极介电层置于0.1M的OTS甲苯溶液中，在60℃下处理30min进行单分子层自组装处理，然后取出，置于甲苯中超声20s后用N2枪吹干，得到单分子自组装层；
(3)在单分子自组装层上真空蒸镀一层厚度为50nm的C8-BTBT薄膜，然后置于热台上在100℃下加热10min，得到沟道半导体层；
(4)在背底真空为2×10-4Pa的环境下通过真空蒸镀在上述沟道半导体层上沉积一层2nm的MoO3，得到电荷传输层；
(5)通过掩膜板真空蒸镀一层60nm的Au作为源电极、漏电极，制备得到有机晶体管紫外光电探测器。
该有机晶体管紫外光电探测器不含有C8-BTBT/PCBM体异质结吸光层。
测试例2
本测试例用于说明实施例2和对比例2制备的有机晶体管光电探测器的性能测试。
测试仪器为配有标准探针台的Keithley 4200-SCS半导体分析仪；测试过程在黑暗环境中进行，测试条件如下：栅极电压调节范围为20V到-40V，源漏电压固定为-40V，采用可以调节波长和光强的氙灯系统作为光源在365nm的紫外波段下进行测试，入射光强度为0.1mW cm-2，并通过紫外光强计确定不同的入射光强度。
本发明实施例2及对比例2的测试结果如图4、5所示，可以看出，实施例2的最大光电流/暗电流比为6.97×105，最大的光响应度为3989A/W，对比例2的最大光电流/暗电流比为396，最大的光响应度为155A/W。由此可见，与对比例2的光电探测器相比，本发明的基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器在光响应度等综合性能上有非常显著的提升。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，本领域的技术人员在本发明的技术构思范围内进行的多种等同替代或简单变型方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于体异质结-分层结构的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，包括衬底及依次设置在衬底上的栅极、栅极介电层、单分子自组装层、沟道半导体层和电荷传输层，所述电荷传输层上的部分区域设置有源电极和漏电极，所述电荷传输层上的源电极和漏电极之间的沟道区域还设置有体异质结吸光层，其中，C8-BTBT作为构造所述沟道半导体层的有机半导体材料，PC61BM作为构造所述体异质结吸光层的电荷受体材料。
2.根据权利要求1所述的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，所述衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述刚性衬底是玻璃或硅片，柔性衬底为塑料。
3.根据权利要求1所述的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，所述单分子自组装层为亲水材料或疏水材料。
4.根据权利要求3所述的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，所述亲水材料选自1H，1H，2H，2H-全氟辛基三氯硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、3-溴丙基三乙氧基硅烷、3-氯丙基三氯硅烷、3-氰基丙基三甲氧基硅烷、3-巯基丙基三甲氧基硅烷和3-碘丙基三甲氧基硅烷中的一种；所述疏水材料选自正辛基三氯硅烷、聚甲基三乙氧基硅烷和六甲基硅氧烷中的一种。
5.根据权利要求1所述的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，所述电荷传输层为空穴传输层或电子传输层，其厚度为2-10nm；所述空穴传输层选自VOx、MoOx、NiOx、WOx及CuOx中的一种；电子传输层选自ZnO、TiOx、C60、PC61BM及PC71BM中的一种。
6.根据权利要求1所述的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，所述体异质结吸光层包括主体吸光材料和电荷受体材料，所述体异质结吸光层的长度为400-1000μm，宽度为40-100μm。
7.根据权利要求1所述的高性能有机晶体管光电探测器，其特征在于，所述高性能有机晶体管光电探测器包括紫外光电探测器、红外光电探测器、可见光电探测器和全波段光电探测器。
8.权利要求1-7任一项所述的高性能有机晶体管光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底上的表面依次制备栅极和栅极介电层；
2)在栅极介电层上进行表面单分子层自组装处理，生成单分子自组装层；
3)在单分子自组装层上沉积沟道半导体层；
4)在沟道半导体层上形成电荷传输层；
5)在电荷传输层上真空蒸镀源电极和漏电极；
6)在电荷传输层上源电极和漏电极之间的沟道区域形成一层体异质结吸光层；
其中，C8-BTBT作为构造所述沟道半导体层的有机半导体材料，PC61BM作为构造所述体异质结吸光层的电荷受体材料。
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