CN111682114A - 一种有机光电探测器底电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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巩国豪
蒋亚东
肖建花
王洋
顾德恩
刘青霞
黎威志
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Abstract

本发明公开了一种有机光电探测器底电极及其制备方法和应用，属于半导体光电器件技术领域，包括衬底，所述衬底上设置有由主体层和功能调节层构成的底电极结构，所述主体层和功能调节层分别通过电子束蒸发法制得，本发明采用双层复合结构金属电极(Al‑NiCr)，主体层拥有在可见到红外波段的高反射率，提高了入射光的吸收效率；生长功能调节层，可以匹配阴极缓冲层，同时保护主体层，防止主体层氧化、被水汽侵蚀；可以极大地促进有机光电探测器的应用。

Description

一种有机光电探测器底电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，具体的涉及一种有机光电探测器底电极及其制备方法和应用。
背景技术
光电探测器是一种十分重要的光电器件，可广泛应用于空间热检测、空间热成像，空间通讯等领域。近年来可见到红外波段的光电探测器发展迅猛，特别是使用新型有机聚合物材料作为活性层的有机光电探测器。光电探测器通常采用类三明治结构，分为底电极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和透明电极以及基板，其中上下电极和活性层不可或缺。对于有机光电探测器，其透明电极通常使用氧化铟锡(ITO)。其底部电极需要满足三方面的特性：可见到红外波段的高反射率，与活性层匹配的功函数，较高的电导率与较低的接触电阻。
目前制备可适用于有机可见-近红外光电探测器的底电极材料，主要还是集中于常用电极金属材料，包括但不限于：银(Ag)，铝(Al)，铜(Cu)，铬(Cr)等。其中铝金属具有可见光到近红外宽波段的高反射率，高的电导率(20℃，电阻率为2.9×10-8Ω·m)，功函数4.3eV等优点，是目前使用最广泛、工艺最成熟的金属底电极。同时，Al薄膜的生长方法主要有直流磁控溅射法，热蒸发法，电子束蒸发法等。其中磁控溅射法制备薄膜均匀性好，成膜质量较高；热蒸发法操作简单，工艺难度较低；电子束蒸发法通常用于制备熔点相差较大的合金薄膜。
虽然铝电极具有许多优良特性，但是使用常规方法制备的单层底电极仅适用于逆向组装结构器件，即透明电极-活性层-底电极结构。若采用适于阵列化的正向组装结构，则优先制备于基板上的底电极会面临许多新的问题，如：Al薄膜极易被氧化形成不导电的Al2O3，同时薄膜的Al2O3与活性层的功函数会出现不匹配。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述的正向组装结构器件的底电极易被氧化以及活性层的功函数会出现不匹配问题，本发明提供一种正组装的有机可见-近红外光电探测器的底电极结构及其制备方法和应用，以解决底电层氧化，功函数不匹配等问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种有机光电探测器底电极，包括衬底，所述衬底上设置有由主体层和功能调节层构成的底电极结构，所述主体层和功能调节层分别通过电子束蒸发法制得。
优选的，所述功能调节层由镍铬合金制成，所述镍铬合金中镍铬质量比为(70-90):(10-30)。
优选的，所述镍铬合金中镍铬质量比为80:20。
优选的，所述主体层为高纯铝或铬制成，所述高纯铝纯度大于等于99.99％。
优选的，所述主体层的厚度为95-105nm；所述功能调节层的厚度为12-14nm。
一种有机光电探测器底电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：提供清洁的衬底；
步骤2：在所述衬底上采用电子束蒸发法制备主体层；
步骤3：在上述主体层上采用电子束蒸发法制备功能调节层，即得到所述底电极。
优选的，所述衬底为刚性或柔性的衬底，所述衬底的厚度为0.1-5mm。衬底材料为普通玻璃，也可以是石英玻璃、硅片，或者是柔性的PI和PET均可。
优选的，所述步骤2的具体的步骤为：先抽前置真空等于或低于1.0×10-4Pa，再打开电子束蒸发设备电流枪，调节电流到1.4-1.6A，使用于生成主体层的材料呈现熔融状态，生长速率控制在0.5nm/s，厚度为95-105nm。
优选的，所述步骤3的具体的步骤为：先关闭电流枪，其次将生长源转换到镍铬合金，再次打开电流枪，调节电流到0.5-0.7nm/s，使生成功能调节层的材料呈现熔融状态，生长速率控制在0.2nm/s，厚度为12-14nm。
一种光电器件，所述光电器件包括权利要求1-9任一项所述的叠层结构的底电极。
本发明中使用电子束蒸发的方法制备薄膜，能够有效的调控不同生长条件，灵活的制备具有多层结构的薄膜。因此，使用电子束蒸发制备用于有机可见-近红外光电探测器的底电极，其主体层承担底电极的作用；而在主体层之后采用不同的生长条件，生长一层能够保护底电极层不被氧化，能够有效的降低接触电阻，提高反射率，同时改善与活性层接触界面功函数匹配的问题。所述底电极可用作探测波长在300-1200nm波段的可见-近红外有机光电探测器的底电极层。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用双层复合结构金属电极(Al-NiCr)，既保留了铝材料做电极的优良特性，又避免了与空气接触形成Al2O3；该结构选择的材料体系和制备工艺可以用于有机光电器件的正向生长，同时与CMOS工艺兼容，为有机成像器件提供一种可以使用的底电极；
(2)采用本发明的设计和制备流程得到的底电极，主体层拥有在可见到红外波段的高反射率，提高了入射光的吸收效率；生长功能调节层，可以匹配阴极缓冲层，同时保护主体层，防止主体层氧化、被水汽侵蚀；
(3)应用本发明的底电极设计与制备流程所制备的底电极薄膜，应用在可见-近红外有机光电探测器上具有高兼容性和光吸收效率，可以极大地促进有机光电探测器的应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记为：1-衬底，2-主体层，3-功能调节层，4-阳极修饰层，5-活性层，6-阴极缓冲层，7-透明电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
利用现有真空蒸镀设备，采用高纯铝(≥99.99％)和镍铬合金(Ni：Cr＝80:20wt％)分别作为底电极主体层和功能调节层的生长源，在透明衬底上先沉积主体层，再沉积镍铬合金的功能调节层。
主体层和功能调节层的制备方法如下：
1.透明衬底的预处理：普通玻璃使用洗涤剂和无尘布刷洗，之后使用去离子水冲洗去除油污灰尘指纹等；再按照无水乙醇，异丙酮，无水乙醇的顺序分别超声15min，再用去离子水冲洗，放入干燥箱中，110℃干燥60min；干燥后的透明衬底在紫外臭氧清洗机中清洗5min。
2.准备生长材料与抽前置真空：主体层生长源为高纯铝(≥99.99％)，功能调节层生长源为镍铬合金(Ni：Cr＝80:20wt％)，将填入两种材料的两个铜坩埚放入转台，抽前置真空到1.0×10-4Pa。
3.生长主体层：打开电子束蒸发设备电流枪，调节电流到1.5±0.1A，观察到材料呈现熔融状态，生长速率控制在0.5nm/s，最终厚度为100±5nm。
4.生长功能调节层：主体层生长完毕关闭电流枪，转动转台，生长源转换到镍铬合金，再次打开电流枪，调节电流到0.6±0.1nm/s，观察到材料呈现熔融状态，生长速率控制在0.2nm/s，厚度为13±1nm。
5.可见-近红外有机光电探测器剩余部分制备：
1).配制溶液：110mg二水合醋酸锌+1mL 2-甲氧基乙醇+31μL乙醇胺，保持400-600rpm，在室温下磁子搅拌12h以上，配制得到ZnO溶液；10mg给体PBDB-T+10mg受体PC71BM溶于1mL氯苯(CB)中，总浓度20mg/mL，加入30μL DIO(3％vol.)，在室温下磁子搅拌12h以上，配制得到活性层溶液。
2).蒸镀MoO3：600℃下蒸镀12±1nm的MoO3。
3).旋涂活性层：取40μL PBDB-T:PC71BM混合溶液，手套箱中2500rpm，旋涂40s，130℃退火15min。
4).旋涂ZnO层：取10μL ZnO混合溶液，在空气环境下5000rpm，旋涂40s，150℃退火15min。
5).制备透明电极。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种有机光电探测器底电极，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有由主体层和功能调节层构成的底电极结构，所述主体层和功能调节层分别通过电子束蒸发法制得。
2.根据权利要求1所述的一种有机光电探测器底电极，其特征在于，所述功能调节层由镍铬合金制成，所述镍铬合金中镍铬质量比为(70-90):(10-30)。
3.根据权利要求1所述的一种有机光电探测器底电极，其特征在于，所述镍铬合金中镍铬质量比为80:20。
4.根据权利要求1所述的一种有机光电探测器底电极，其特征在于，所述主体层为高纯铝或铬制成，所述高纯铝纯度大于等于99.99％。
5.根据权利要求1所述的一种有机光电探测器底电极，其特征在于，所述主体层的厚度为95-105nm；所述功能调节层的厚度为12-14nm。
6.基于权利要求1-5所述的一种有机光电探测器底电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：提供清洁的衬底；
步骤2：在所述衬底上采用电子束蒸发法制备主体层；
步骤3：在上述主体层上采用电子束蒸发法制备功能调节层，即得到所述底电极。
7.根据权利要求6所述的一种有机光电探测器底电极的制备方法，其特征在于，所述衬底为刚性或柔性的衬底，所述衬底的厚度为0.1-5mm。
8.根据权利要求6所述的一种有机光电探测器底电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2的具体的步骤为：先抽前置真空等于或低于1.0×10-4Pa，再打开电子束蒸发设备电流枪，调节电流到1.4-1.6A，使用于生成主体层的材料呈现熔融状态，生长速率控制在0.5nm/s，厚度为95-105nm。
9.根据权利要求6所述的一种有机光电探测器底电极的制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体的步骤为：先关闭电流枪，其次将生长源转换到镍铬合金，再次打开电流枪，调节电流到0.5-0.7nm/s，使生成功能调节层的材料呈现熔融状态，生长速率控制在0.2nm/s，厚度为12-14nm。
10.一种光电器件，其特征在于，所述光电器件包括权利要求1-9任一项所述的叠层结构的底电极。
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