CN108807678B - 一种pcbm受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探测器 - Google Patents

一种pcbm受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探测器，涉及光电探测器领域，所述光电探测单元包括底栅电极，所述底栅电极上设置介质层，所述介质层的上表面设置有金属电极，所述金属电极旁侧的介质层上表面上设置有单层石墨烯，且单层石墨烯与金属电极相连接，所述单层石墨烯上覆盖有量子点—PCBM杂化薄膜，所述量子点—PCBM杂化薄膜由FaPbBr3量子点材料和PCBM混合而成。本发明采用量子点‑PCBM杂化薄膜作为感光材料来显著提升光电探测器的响应，从而解决了现有基于钙钛矿量子点‑石墨烯的超高响应光电探测器因光电转换效率低能不能应用的技术问题。

Description

一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探 测器
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，具体涉及一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探测器。
背景技术
对光探测器而言，光探测器的探测带宽和响应速度是衡量其性能的重要参数。在所有光电探测设备中，光电晶体管能通过施加一个门电压来调制载流子在通道材料中的运输。但是，基于原始量子点的光电晶体管由于其本身载流子迁移率和电极调节的原因光响应度相对较低，目前，由量子点和二维材料比如石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、二硫化钼等组成复合材料被广泛研究以期解决光电晶体管这个问题。
钙钛矿量子点材料在光电探测领域有巨大应用潜力，首先，钙钛矿量子点有利于提高光探测器中的载流子输运，具有良好的光响应性、外量子效率和探测灵敏度；其次，钙钛矿量子点光探测器的双光子性能优于文献报道的其他量子点光探测器性能，如硫化铅量子点、黑磷量子点等；再有，钙钛矿量子点具有良好的热稳定性和优异的载流子输运特性，性能优于传统的量子点光电材料。
在众多二维材料中，石墨烯无疑是引入注目的，其具有超高载流子迁移率和广泛的吸收范围，而且量子点/石墨烯光电晶体管性能上有较大突破。
综上，要解决光电晶体管因其本身载流子迁移率和电极调节的原因导致的光响应度相对较低的技术难题，量子点/二维材料复合材料的制作显得尤为重要，基于钙钛矿量子点材料与石墨烯的双优局势，钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器应当是研究的重点，然而，基于钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器目前并未见报道，其根本原因在于：首先，钙钛矿量子点终究还是量子点中的一种，仍然存在量子点的电荷捕获特性，而这种电荷捕获特性仍然会成为阻碍载流子分离的的一大难题，载流子的分离效率低则会进一步影响光电转换效率；其次，钙钛矿量子点与石墨烯的界面处电荷复合也是导致光电转换效率不能进一步提高的困扰因素。
发明内容
本发明提供一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元及其制备方法和探测器，以解决现有基于钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器因光电转换效率低能不能应用的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元，所述光电探测单元包括底栅电极，所述底栅电极上设置介质层，所述介质层的上表面设置有金属电极，所述金属电极的两端分为公共电极和信号电极,公共电极和信号电极之间的金属电极呈梳状电极结构，所述金属电极的梳状电极结构上覆盖有单层石墨烯，且单层石墨烯的两端分别与公共电极和信号电极连接，所述单层石墨烯上覆盖有量子点—PCBM杂化薄膜，所述量子点—PCBM杂化薄膜由FaPbBr3量子点材料和PCBM混合而成。
本发明采用量子点-PCBM杂化薄膜作为感光材料来显著提升光电探测器的响应，采用横向结构，使得操作性强且方便集成化。该新结构能够促进电子空穴分离，选择和提取，成功的将原来的量子点-石墨烯结构器件的响应度和响应速度提升。FaPbBr3量子点具有光吸收率高、热稳定性良好、空穴扩散长度长等优异特性，FaPbBr3量子点材料和PCBM两种材料相互混合的表面形态增大了两者接触面积，接触界面形成的PN结结构有效的增强了光生载流子的快速分离，量子点和PCBM混合比较均匀，在薄膜内形成了两种材料相互贯穿的形态，在纳米尺度上面形成了良好的接触，同时PCBM在退火下形成聚集和突起镶嵌到量子点材料中，增大了施主和受主的接触面积，有利于量子点产生的光生激子传递给邻近的PCBM分子，使得电子和空穴在相应的通道内进行传输而不发生复合，为载流子高效传输提供了必要的途径；PCBM作为电子受体，充当电荷分离和电子捕获点，电子从钙钛矿转移到PCBM，电子被PCBM捕获，更加有利于量子点吸收层内部载流子的分离，而且剩余的空穴有很长的扩散长度，可以通过连续的量子点梳状矩阵有效地传输到石墨烯层，减少了载流子在石墨烯界面处的复合。此外，PCBM可以有效地捕获电子。这反过来又提高了电子寿命和光响应。PCBM充当电荷分离和电子捕获点，同时使得量子点的电荷捕获效率降低，并且通过栅极电压的调控，可以控制石墨烯的势垒高度和掺杂水平，使得石墨烯费米能级变化，从而引起光生电流的改变，并成功将原来的量子点-石墨烯结构器件的响应度显著提升，从而解决了现有基于钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器因光电转换效率低能不能应用的技术问题；探测阵列可以使用公共电极，降低了探测单元信号读取的难度，提高阵列均匀性，易于大规模制造；单层石墨烯在公共电极和信号电极间形成载流子导电通道，光生载流子中的空穴可以通过石墨烯沟道在电极间流动。
作为优选地，所述金属电极的厚度为50-200nm，量子点—PCBM杂化薄膜的厚度为30-100nm。
一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元的制备方法，包括如下步骤：
(1)选取合适尺寸的覆盖有介质层的底栅电极基片，使用洗洁精、丙酮、乙醇、去离子水分别超声15分钟，然后用氮气吹干；
(2)采用标准的聚甲基丙烯酸甲酯-辅助湿转移法，选用化学-蒸汽沉积的铜箔上的单层石墨烯基材料制备单层石墨烯，在200ml去离子水，8ml过氧化氢，4ml盐酸的混合溶液中浸泡，直到表面铜箔完全腐蚀；
(3)将由聚甲基丙烯酸甲酯层支撑的单层石墨烯转移到预先清洁的底栅电极基片上，烘烤15分钟干燥后，用80℃的热丙酮去除PMMA支撑层，并在异丙醇中冲洗三次；
(4)通过光刻技术-电子束蒸镀100nm Au制备金属电极，由阴影掩模和氩离子溅射形成石墨烯通道，且石墨烯图形覆盖金属电极的梳状电极结构；
(5)制备FaPbBr3量子点-PCBM混合溶液，先配制质量分数为0％-5％的PCBM甲苯溶液，搅拌12小时，待其完全溶解后，加入FaPbBr3量子点溶液，并继续搅拌12小时，配制完成的FaPbBr3量子点-PCBM混合溶液中FaPbBr3量子点的质量浓度为5-10％，PCBM的质量浓度为1-5％；
(6)将配制完成的FaPbBr3量子点-PCBM混合溶液通过旋涂工艺旋涂在步骤(4)已经处理好的样片上，滴适量异丙醇后置于真空干燥箱中干燥退火，即得到光电探测单元。
一种带有光电探测单元的探测器，所述探测器包括硅衬底，所述硅衬底上设置读出电路，所述读出电路上设有由多个光电探测单元组成的光电探测器阵列。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用量子点—PCBM杂化薄膜代替传统量子点薄膜，克服了现有基于钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器因光电转换效率低能不能应用的技术问题，使得基于钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器成为可能；
(2)本发明制备的基于钙钛矿量子点-石墨烯的超高响应光电探测器，其优点结合了钙钛矿量子点、石墨烯两者的优势，并克服了传统不能将二者结合的技术偏见。
附图说明
图1为本发明光电探测器的整体结构示意图；
图2为A处(探测单元)的放大结构示意图；
图3是探测单元的竖直截面结构示意图；
图4是光电探测器的能级结构示意图；
图5是对实施例与对比例的光电探测器产品520nm波长测试曲线对比示意图(对比例是指量子点—PCBM杂化薄膜替换为传统量子点薄膜的光电探测器产品，图中实线表示对比例的光电探测器产品，虚线表示实施例的光电探测器产品)；
图6是对实施例与对比例的光电探测器产品650nm波长测试曲线对比示意图(对比例是指量子点—PCBM杂化薄膜替换为传统量子点薄膜的光电探测器产品，图中实线表示对比例的光电探测器产品，虚线表示实施例的光电探测器产品)；
图7是探测单元的制备流程示意图；
图中标号分别为：1、硅衬底；2、读出电路；3、光电探测器阵列；4、底栅电极；5、介质层；6a、公共电极；6b、信号电极；7、单层石墨烯；8、量子点—PCBM杂化薄膜；9、FaPbBr3量子点材料；10、PCBM。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，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、完整的描述。
如图1-3所示，本发明提供的光电探测器，包括硅衬底1，所述硅衬底1上设置读出电路2，所述读出电路2上设有由多个光电探测单元组成的光电探测器阵列3，所述光电探测单元包括底栅电极4，所述底栅电极4上设置介质层5，所述介质层5的上表面设置有金属电极，所述金属电极的两端分为公共电极6a和信号电极6b,公共电极6a和信号电极6b之间的金属电极呈梳状电极结构，所述金属电极的梳状电极结构上覆盖有单层石墨烯7，且单层石墨烯7的两端分别与公共电极6a和信号电极6b连接，所述单层石墨烯7上覆盖有量子点—PCBM杂化薄膜8，所述量子点—PCBM杂化薄膜8由FaPbBr3量子点材料9和PCBM10混合而成，所述金属电极的厚度为50-200nm，量子点—PCBM杂化薄膜8的厚度为30-100nm。
本发明采用量子点-PCBM的杂化结构作为感光材料来显著提升光电探测器的响应。在量子点-石墨烯光电探测器的感光层中加入电子受体可以显著提高其光的响应度。本专利使用的n型有机受主半导体材料是PCBM，在感光层中使用少量的电子或空穴受体材料是提高和调谐GFET光电探测器的光反应能力的有效策略。利用湿法辅助转移技术将单层石墨烯成功转移到高掺杂硅的衬底上，并利用光刻和电子束蒸镀技术，图案化Au电极通道，完成器件的横向制造。该器件的增强的关键之处在于PCBM和FaPbBr3量子点的相互贯穿的表面形态。在接收足够能量的紫外-可见光照射的时候，FaPbBr3量子点作为吸光能力极强的感光材料，其产生的光生载流子会在FaPbBr3量子点和PCBM的接触界面发生分离，其中电子从FaPbBr3量子点转移到PCBM，电子被PCBM捕获，增强了光生空穴和电子的快速分离，同时克服了量子点内部对电荷的捕获作用，而且空穴有很长的扩散长度，可以通过连续的FaPbBr3量子点梳状矩阵有效地传输到石墨烯层，引起石墨烯的空穴掺杂特性，导致石墨烯的电导率发生变化，减少了与石墨烯界面处的载流子复合，同时使得量子点的电荷捕获效率降低，并成功将原来的FaPbBr3量子点-石墨烯结构器件的响应度显著提升，进一步加快响应速度。并且利用底部栅极的电压可以控制石墨烯的势垒高度的升高和降低，进而对空穴的掺杂效果进行控制，使得光生电流的大小发生相应的改变。光电探测器以及探测单元的具体制备如下述实施例。
实施例1
一、如图7所示，按以下步骤制作探测单元：
(1)选取合适尺寸的覆盖有介质层5的底栅电极4基片，使用洗洁精、丙酮、乙醇、去离子水分别超声15分钟，然后用氮气吹干；
(2)采用标准的聚甲基丙烯酸甲酯-辅助湿转移法，选用化学-蒸汽沉积的铜箔上的单层石墨烯基材料制备单层石墨烯7，在200ml去离子水，8ml过氧化氢，4ml盐酸的混合溶液中浸泡，直到表面铜箔完全腐蚀；
(3)将由聚甲基丙烯酸甲酯层支撑的单层石墨烯7转移到预先清洁的底栅电极4基片上，烘烤15分钟干燥后，用80℃的热丙酮去除PMMA支撑层，并在异丙醇中冲洗三次；
(4)通过光刻技术-电子束蒸镀100nm Au制备金属电极，由阴影掩模和氩离子溅射形成石墨烯通道，且石墨烯图形覆盖金属电极的梳状电极结构；
(5)制备FaPbBr3量子点-PCBM混合溶液，先配制质量分数为5％的PCBM甲苯溶液，搅拌12小时，待其完全溶解后，加入FaPbBr3量子点溶液，并继续搅拌12小时，配制完成的FaPbBr3量子点-PCBM混合溶液中FaPbBr3量子点的质量浓度为5％，PCBM的质量浓度为1％；
(6)将配制完成的FaPbBr3量子点-PCBM混合溶液通过旋涂工艺旋涂在步骤(4)已经处理好的样片上，滴适量异丙醇后置于真空干燥箱中干燥退火，即得到光电探测单元。
得到的光电探测单元外形如图2所示，其截面形状如图3所示。
二、再按以下步骤制备探测器：
(a)在标准硅衬底1上采用CMOS工艺流片完成读出电路2，同时在读出电路2表面制备绝缘层。
(b)在绝缘层表面制备与探测单元的底栅电极4及金属电极对应的电学接口，并完成底栅电极4图形的制作。
(i)将探测单元的底栅电极4置于制作的图形上，并连接相应的电学接口，即完成PCBM受体增强型量子点光电探测器阵列制备，得到光电探测器。
得到的光电探测器外形如图1所示，能级结构示意图如图4所示。
三、探测器测试
其测试过程包括如下步骤：
(1)使用三端探针台固定在相应的源极、漏极和栅极对应的电极图案处。
(2)使用4200-SCS型半导体特性分析系统进行器件的直流参数测试，实时绘图分析。
(3)调节激光器的功率以及激光型号，依次进行直流参数测试。
(4)由图5和图6可知，本发明得到的产品，相比于纯量子点薄膜的器件，在520nm，650nm波段对于光电流的变化具有显著的变化而且响应时间明显加快，对于器件性能的提升尤为重要。
显而易见的，上面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，或在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元，所述光电探测单元包括底栅电极(4)，所述底栅电极(4)上设置介质层(5)，所述介质层(5)的上表面设置有金属电极，所述金属电极的两端分为公共电极(6a)和信号电极(6b),公共电极(6a)和信号电极(6b)之间的金属电极呈梳状电极结构，其特征在于：所述金属电极的梳状电极结构上覆盖有单层石墨烯(7)，且单层石墨烯(7)的两端分别与公共电极(6a)和信号电极(6b)连接，所述单层石墨烯(7)上覆盖有量子点-PCBM杂化薄膜(8)，所述量子点-PCBM杂化薄膜(8)由FaPbBr量子点材料(9)和PCBM(10)混合而成；
所述金属电极的厚度为50-200nm，量子点—PCBM杂化薄膜(8)的厚度为30-100nm；
FaPbBr量子点-PCBM混合溶液中FaPbBr量子点的质量浓度为5-10％，PCBM的质量浓度为1-5％；FaPbBr量子点-PCBM混合溶液通过旋涂工艺旋涂在处理好的样片上，滴适量异丙醇后置于真空干燥箱中干燥退火，得到量子点-PCBM杂化薄膜(8)。
2.一种PCBM受体增强型量子点光电探测单元的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取合适尺寸的覆盖有介质层(5)的底栅电极(4)基片，使用洗洁精、丙酮、乙醇、去离子水分别超声15分钟，然后用氮气吹干；
(2)采用标准的聚甲基丙烯酸甲酯-辅助湿转移法，选用化学-蒸汽沉积的铜箔上的单层石墨烯基材料制备单层石墨烯(7)，在200ml去离子水，8ml过氧化氢，4ml盐酸的混合溶液中浸泡，直到表面铜箔完全腐蚀；
(3)将由聚甲基丙烯酸甲酯层支撑的单层石墨烯(7)转移到预先清洁的底栅电极(4)基片上，烘烤15分钟干燥后，用80℃的热丙酮去除PMMA支撑层，并在异丙醇中冲洗三次；
(4)通过光刻技术-电子束蒸镀100nm Au制备金属电极，由阴影掩模和氩离子溅射形成石墨烯通道，且石墨烯图形覆盖金属电极的梳状电极结构；
(5)制备FaPbBr量子点-PCBM混合溶液，先配制质量分数为0％-5％的PCBM甲苯溶液，搅拌12小时，待其完全溶解后，加入FaPbBr量子点溶液，并继续搅拌12小时，配制完成的FaPbBr量子点-PCBM混合溶液中FaPbBr量子点的质量浓度为5-10％，PCBM的质量浓度为1-5％；
(6)将配制完成的FaPbBr量子点-PCBM混合溶液通过旋涂工艺旋涂在步骤(4)已经处理好的样片上，滴适量异丙醇后置于真空干燥箱中干燥退火，即得到光电探测单元。
3.一种带有如权利要求1所述的光电探测单元的探测器，其特征在于：所述探测器包括硅衬底(1)，所述硅衬底(1)上设置读出电路(2)，所述读出电路(2)上设有由多个光电探测单元组成的光电探测器阵列(3)。
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