CN111916513A - 红外探测器、红外成像仪及红外探测器的制备方法 - Google Patents

红外探测器、红外成像仪及红外探测器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种红外探测器、红外成像仪及红外探测器的制备方法，红外探测器包括至少一个像元，所述像元包括：从下至上依次设置的衬底层、至少一个层叠结构和顶层电极层；所述层叠结构包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层；其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同。该红外探测器制备工艺简单、成本低廉，此外，由于不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同，因此将不同探测波长的红外探测材料集成在同一个衬底结构上，可以较好地扩大红外探测器探测范围，提高系统性能。

Description

红外探测器、红外成像仪及红外探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外探测器、红外成像仪及红外探测器的制备方法。
背景技术
红外探测与成像技术早期主要应用于军事领域，随着行业技术不断进步，红外探测与成像技术应用范围逐步扩大到民用领域，发展速度加快，红外探测器可以分为制冷型光子探测器和非制冷型热探测器两种类型。现阶段，我国红外探测器的研究工作从单元、线列发展到红外焦平面，产品覆盖范围不断扩大，逐步形成了较为完整的红外探测器研究及生成体系。
常用的非制冷型红外探测器，多为热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计等类型。常用的高端制冷型红外探测器多采用窄带隙的碲铬汞材料，或者固体半导体量子阱、量子点等制备，利用其直接吸收光子跃迁相关的光电效应来探测红外辐射。这些器件性能好，但其芯片材料需要用复杂的外延技术来实现，成本高昂。例如，量子阱红外探测器或外延量子点红外探测器件的红外吸收材料需要用分子束外延或者化学气相沉积等复杂的技术来制备合成，制备工艺复杂；并且，分子束外延还需要超高真空环境，导致该种红外吸收材料的制备成本非常高昂；另外，由于受外延设备的限制，该种红外吸收材料的制备尺寸相对有限，同时其所能探测波长的可调节性差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种红外探测器、红外成像仪及红外探测器的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种红外探测器，包括至少一个像元，所述像元包括：从下至上依次设置的衬底层、至少一个层叠结构和顶层电极层；
所述层叠结构包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层；
其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同。
进一步地，对于每个层叠结构，量子点红外吸收层的尺寸小于电极层，对于相邻的两个层叠结构，位于上方的层叠结构的电极层与位于下方的层叠结构的量子点红外吸收层的尺寸相同，位于上方的层叠结构的电极层的尺寸小于位于下方的层叠结构的电极层。
进一步地，当所述红外探测器包括多个像元时，所述多个像元呈阵列排布。
进一步地，在所述衬底层与层叠结构间设置有红外辐射吸收增强层，所述红外辐射吸收增强层包括:预设特定的光学结构或预设光学膜以增强对红外辐射的吸收。
进一步地，相邻两个像元的间距为10～50μm。
进一步地，各个层叠结构中的电极层的厚度为50～500nm。
第二方面，本发明实施例提供了一种红外成像仪，包括：如第一方面所述的红外探测器。
第三方面，本发明实施例提供了一种红外探测器的制备方法，包括：
制备衬底层；
在所述衬底层上方自下而上制备至少一个层叠结构，并在最上方的层叠结构的表面制备顶层电极层；其中，每个层叠结构均包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层；
其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同；
其中，所述量子点红外吸收层是通过前驱动液配置，并经过配体交换获得的。
进一步地，制备层叠结构的步骤包括：
通过沉积或溅射的方式制备电极层；
在所述电极层上制备量子点红外吸收层，具体包括：通过前驱动液配置，并经过配体交换获得预设浓度的掺杂；
其中，对于不同层叠结构，通过改变量子点的尺寸和材料，获得能够吸收不同波长红外辐射的量子点红外吸收层。
进一步地，所述的制备方法，还包括：
在制备得到衬底层后，在所述衬底层上制备红外辐射吸收增强层，所述红外辐射吸收增强层包括:预设特定的光学结构或预设光学膜；
其中，当红外辐射吸收增强层包括预设光学结构时，在所述衬底层上制备所述预设光学结构；当红外辐射吸收增强层包括预设光学膜时，在所述衬底层上涂覆所述预设光学膜。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的红外探测器，通过设置至少一个包括电极层和量子点红外吸收层的层叠结构，将用于探测红外辐射的胶体量子点设置在层叠结构中的红外吸收层中，当量子点红外吸收层上下两层电极层施加电压时，可以将量子点红外吸收层因为吸收红外辐射形成的光电子引导出来形成光电流，从而通过光电流的强弱判断对应像素处红外辐射强度，由此可见，本发明实施例使用更容易制备的胶体量子点的来实现对红外辐射的直接探测，因此制作方便，成本低廉。相对于现有技术需要复杂的外延技术才能制备得到的固体半导体量子阱、量子点红外探测器，本发明实施例能够大大降低制备成本和制备复杂度。此外，由于不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同，因此将不同探测波长的红外探测材料集成在同一个衬底结构上，可以较好地扩大红外探测器探测范围，提高系统性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种红外探测器的正视图；
图2为本发明实施例提供的一种红外探测器的立体图；
图3为本发明实施例提供的一种红外探测器的一个像元的俯视图；
图4为本发明实施例提供的另一红外探测器的多个像元的排布图；
图5为本发明实施例提供的一种红外探测器包含一个层叠结构的正视图；
图6为本发明实施例提供的一种红外探测器包含三个层叠结构的正视图；
图7为本发明实施例提供的一种红外探测器制备方法的流程图。
附图标记：
1：衬底层；2：第一电极层；3：第一量子点红外吸收层；4：第二电极层；5：第二量子点红外吸收层；a：层叠结构；b：顶层电极层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
正如背景技术所述，现有技术中的固态半导体量子阱、量子点红外探测器，是在半导体衬底上通过MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机化学气相沉积)方式来制备的，其中高品质的必须用MBE，两者都是外延技术，而外延技术需要昂贵的外延设备，制备成本较高，同时，由于受外延设备的限制，制备得到的探测器尺寸也相当有限，同时其所能探测波长的可调节性也较差。针对该问题，本实施例提供一种红外探测器及其制备方法，本实施例不再需要昂贵的外延设备制作，只需通过化学溶液配制胶体量子点即可，从而大幅降低了制备成本，同时制备尺寸也可以根据需要进行灵活设定。
图1出示了本发明实施例提供的一种红外探测器的正视图，图5出示了本发明实施例提供的一种红外探测器包含一个层叠结构的正视图，图6出示了本发明实施例提供的一种红外探测器包含三个层叠结构的正视图。其中图1是以包含两个层叠结构为例的示意图，如图1所示，1表示衬底层，2表示第一电极层，3表示第一量子点红外吸收层，4表示第二电极层，5表示第二量子点红外吸收层。
如图1所示，本实施例一提供的红外探测器包括至少一个像元，所述像元包括：从下至上依次设置的衬底层1、至少一个层叠结构a和顶层电极层b；每个层叠结构均包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层(例如，第一电极层2和第一量子点红外吸收层3组成的层叠结构，又如第二电极层4和第二量子点红外吸收层5组成的层叠结构)，其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同；所述衬底层1以及每个层叠结构中的电极层对各个量子点红外吸收层吸收的红外辐射透明。
在本实施例中，衬底层1作为整个器件的承载体，同时对其上各量子点红外吸收层吸收波段内的红外辐射透明，所述衬底层1可以采用石英玻璃、透明导电玻璃、柔性透明材料等任何对欲探测波段的红外辐射透明的材料，并且所述衬底层1的形状可以设置为正方形、圆形、三角形等任意形状，此处不做具体限制。
在本实施例中，第一量子点红外吸收层3和第二量子点红外吸收层5均为量子点红外吸收层，其内部含有一定数量的胶体量子点，用于探测设定的红外辐射。其中，所述胶体量子点可以为PbS量子点、PbSe量子点等。
在本实施例中，需要说明的是，本实施例中的包含胶体量子点的红外吸收层的制备比较简单，只需化学配制即可，无需昂贵的MBE或MOCVD设备。
下面以PbS胶体量子点为例，说明一下包含胶体量子点的红外吸收层的制备和掺杂过程：具体来说，PbS量子点可以通过化学合成法制备。例如，可以将5克高纯一氧化铅(PbO)，500毫升90％纯度的1-十八烯(ODE)和38毫升90％纯度的油酸(OA)置于3颈圆底烧瓶中，并在90摄氏度的真空环境下脱气。然后在氩气下将反应温度升高到95-100摄氏度，并快速注入稀释于30毫升1-十八烯中的600微升六甲基二硅硫烷((TMS)2S)。数分钟后以每分钟7.5毫升的速度滴入融有750微升六甲基二硅硫烷的90毫升1-十八烯溶液。此后对反应进行等分检验，直到获得所需要尺寸量子点，此后便可停止反应，并逐渐冷却。随后，还需要通过用无水丙酮和乙醇将量子点沉淀纯化数次，然后再分散在无水甲苯中。最后，将浓度调节到每毫升300毫克，并向溶液中通入氮气，以最大程度地减少量子点的氧化。
上述制备好的量子点还需要进行掺杂。首先将量子点溶液以每分钟2000-3000转的速度旋涂在钠钙玻璃基板上，并形成薄膜。然后将薄膜用融有碘化锌的3巯基丙酸溶液处理数秒，并再次启动旋涂机进行干燥处理，同时滴入甲醇以除掉多余的配体。对上述过程进行重复，直到获得期望厚度的薄膜。
需要说明的是，上述方式只是一个制备掺杂胶体量子点的具体实施例。本发明所主张的器件工作原理和器件结构，同时适用于其它种类和其它方式制备的胶体量子点。
在本实施例中，需要说明的是，对于两个相邻的层叠结构来说，位于上面的层叠结构中的电极层与位于下面层叠结构中的电极层一起形成偏置电压，该偏置电压能够对位于下面层叠结构中的量子点红外吸收层因为吸收红外光子而形成的光电子引导出来形成光电流从而通过光电流的强弱，可以判断对应像素处红外辐射强度。例如，依然参见图1所示的包含两个层叠结构的红外探测器，位于上面的层叠结构中的第二电极层4和位于下面的层叠结构中的第一电极层2共同工作，在一定偏压下对第一量子点红外吸收层3因为吸收红外光子而形成的光电子引导出来形成光电流，通过光电流的强弱，可以判断对应像素处红外辐射强度。
在本实施例中，每个层叠结构中的电极层对所有量子点红外吸收层吸收的红外辐射透明(例如图1所示，第二电极层4的构成材料对第一量子点红外吸收层3吸收的红外辐射透明，又如顶层电极层b的构成材料对第一量子点红外吸收层3和第二量子点红外吸收层5吸收的红外辐射透明)。
在本实施例中，需要说明的是，每个层叠结构中的量子点红外吸收层是由一定数量的胶体量子点组成的，多个胶体量子点形成的导带或价带内部的子能级的基态和第一激发态之间的能量间距对应所述红外辐射波段，且通过配体交换使胶体量子点得到重掺杂，所述掺杂既可以是N型掺杂，也可以是P型掺杂，从而使得所述胶体量子点的费米能级位于基态能级和第一激发态能级之间，每个层叠结构中的量子点红外吸收层利用同一条导带内部或同一条价带内部的不同子能级之间进行带内跃迁的原理，来探测预设的红外辐射波段的红外辐射。
可以理解的是，配体交换是指配体交换反应：配位化合物中的配体可被其它配体所取代，称为配体交换反应，一般反应机理为亲核取代反应。
其中，对于中短波长的红外波段，量子点通过(导带电子和价带空穴)带间跃迁来吸收红外光子，对于中长波红外波段，量子点通过带内的子带间跃迁吸收光子。以导带为例对其具体原理进行说明：多个胶体量子点构成的量子点红外吸收层本质上成为了一块半导体，该半导体内部形成了导带和价带，并在导带内部和价带内部分别形成了不同的子能级，对于同一条导带内部的不同子能级，最低能量的子能级为基态，高能量的子能级为激发态，低能量的子能级和高能量的子能级之间的能量间距与预设的红外辐射波段相对应，且各所述胶体量子点的费米能级位于基态能级和第一激发态能级之间，在红外辐射下，低能量的子能级的基态电子会吸收红外光子的能量，从而越过所述能量间距进入到能量高的子能级中，即跃迁到第一激发态，完成导带内跃迁过程(可简称带内跃迁)，实现对预设的红外辐射波段的红外辐射的探测。价带内跃迁原理与上述导带内跃迁原理相同，因此不再赘述。
在本实施例中，第一量子点红外吸收层3的厚度可以为0.1-10μm，第二量子点红外吸收层5的厚度也可以为0.1-10μm。
在本实施例中，需要说明的是，第一量子点红外吸收层3的厚度的取值范围为[0.1，10]，也即：既包括0.1和10两个端点的值，也包括两个端点之间的值，例如厚度为5μm；第二量子点红外吸收层5的厚度的取值范围为[0.1，10]，也即：既包括0.1和10两个端点的值，也包括两个端点之间的值，例如厚度为2μm。
可以理解的是，本实施例提供的红外探测器可以包括一个像元，如图3所示，也可以包括多个像元，如图4所示。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的红外探测器，通过设置至少一个包括电极层和量子点红外吸收层的层叠结构，将用于探测红外辐射的胶体量子点设置在层叠结构中的红外吸收层中，当量子点红外吸收层上下两层电极层施加电压时，可以将量子点红外吸收层因为吸收红外辐射形成的光电子引导出来形成光电流，从而通过光电流的强弱判断对应像素处红外辐射强度，由此可见，本发明实施例使用更容易制备的胶体量子点的来实现对红外辐射的直接探测，因此制作方便，成本低廉。相对于现有技术需要复杂的外延技术才能制备得到的固体半导体量子阱、量子点红外探测器，本发明实施例能够大大降低制备成本和制备复杂度。此外，由于不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同，因此将不同探测波长的红外探测材料集成在同一个衬底结构上，可以较好地扩大红外探测器探测范围，提高系统性能。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，对于每个层叠结构，量子点红外吸收层的尺寸小于电极层，对于相邻的两个层叠结构，位于上方的层叠结构的电极层与位于下方的层叠结构的量子点红外吸收层的尺寸相同，位于上方的层叠结构的电极层的尺寸小于位于下方的层叠结构的电极层。
如图1所示，对于每个层叠结构，量子点红外吸收层的尺寸小于电极层(例如，第一量子点红外吸收层3的尺寸小于第一电极层2，又如第二量子点红外吸收层5的尺寸小于第二电极层4)，对于相邻的两个层叠结构，位于上方的层叠结构的电极层与位于下方的层叠结构的量子点红外吸收层的尺寸相同(例如，第一量子点红外吸收层3与第二电极层4的尺寸相同，又如第二量子点红外吸收层5与顶层电极层b的尺寸相同)，位于上方的层叠结构的电极层的尺寸小于位于下方的层叠结构的电极层(例如，第二电极层4的尺寸小于第一电极层2，又如顶层电极层b的尺寸小于第二电极层4)；
图2出示了本发明实施例提供的一种红外探测器的立体图，可以理解的是，相邻的两个层叠结构中，位于上方层叠结构中的量子点红外吸收层尺寸比位于下方层叠结构中的量子点红外吸收层小，从而可以露出相邻两个红外吸收层中间的电极层，而位于上方层叠结构中的电极层需要将位于下方层叠结构中的量子点红外吸收层吸收红外辐射而形成的光电子引导出来形成光电流，因此对于相邻的两个层叠结构，位于上方的层叠结构的电极层与位于下方的层叠结构的量子点红外吸收层的尺寸要相同，从而使得在同一层叠结构中，电极层的尺寸要大于红外吸收层，以便露出电极层来连接导电引线，即如图2所示，第二量子点红外吸收层5的尺寸小于第一量子点红外吸收层3，第二电极层4的尺寸与第一量子点红外吸收层3的尺寸相同，故第二量子点红外吸收层5尺寸也比第二电极层4小，同时，每个层叠结构中的量子点红外吸收层需要露出第一电极层，因此，每个层叠结构中的量子点红外吸收层尺寸要小于电极层，又由于位于上方层叠结构中的电极层尺寸与位于下方层叠结构中的量子点红外吸收层相同，因此，位于上方层叠结构中的电极层的尺寸小于位于下方层叠结构中的电极层。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，当所述红外探测器包括多个像元时，所述多个像元呈阵列排布。如图3为包括一个像元的情况，图4为包括多个像元的情况。
在本实施例中，需要说明的是每个层叠结构中的量子点红外吸收层被制作成阵列式多像素结构，像元加工完成后，会露出位于下面相邻层叠结构中的电极层，其中多像元结构内部的各单像元结构的一维线列排布或二维阵列排布，各单像元结构之间的分隔如图4中各条虚线分隔所示，具体排布的方式均可根据实际需求进行设定。采用规律的一维线列或二维阵列的排布方式，能够使生产的工艺流程更为简化快速，有效提升红外探测器的批量标准化生产的效率，降低生产成本。
在本实施例中，相邻两个像元的间距为10～50μm。需要说明的是，相邻两个像元的间距的取值范围为[10，50]，也即：既包括10和50两个端点的值，也包括两个端点之间的值。例如，相邻两个像元的间距为30μm。
需要说明的是，本实施例提供的红外探测器中多个像元间隔预定距离设置，将红外探测器中多个单元按照一定的规律以及按照预设的预定距离间隔排布设置，使得多个像元可分别同步工作，提升整体的工作效率。需要说明的是，可以结合两个像元之间的间距、再结合各单元具体形状和尺寸的设置，从而综合确定和调节红外探测器的工作状态。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，在所述衬底层1与层叠结构a间设置有红外辐射吸收增强层，所述红外辐射吸收增强层包括：预设特定的光学结构或预设光学膜以增强对红外辐射的吸收。
可以理解的是，所有能够增强红外辐射在探测器内部光场分布的光学结构或光学镀膜都属于本发明所要保护的范围，本实施例对此不作限定。例如，所述光学结构可以为三角形光学结构。
需要说明的是，本实施例提供的红外探测器的衬底层可以通过加工各种光学结构或和涂覆特点光学膜，来增强红外探测器对红外辐射的吸收能力，从而提高器件性能。
在本实施例中，各个层叠结构中的电极层的厚度优选为50-500nm。需要说明的是，各个层叠结构中的电极层的厚度的取值范围为[50，500]，也即：既包括50和500两个端点的值，也包括两个端点之间的值。
例如，第一电极层2和第二电极层4的厚度为300nm。
在本实施例中，各个层叠结构中的电极层可以为任何对红外辐射透明的电极材料，如ITO(氧化铟锡Indium tin oxide)，AZO(铝掺杂的氧化锌(ZnO透明导电玻璃AZO GmbH+Co.KG)等，本实施例对此不作限定。
本实施例提供的红外探测器还包括：光电流接收器和电流检测器。所述光电流接收器与层叠结构中的量子点红外吸收层连接，用于接收量子点红外吸收层在上下两层电极层的偏压下因吸收红外辐射而形成的光电流。所述电流检测器用于检测光电流接收器接收的光电流的大小。
需要说明的是，对于两个相邻的层叠结构来说，位于上面的层叠结构中的电极层与位于下面层叠结构中的电极层一起形成偏置电压，该偏置电压能够对位于下面层叠结构中的量子点红外吸收层因为吸收红外光子而形成的光电子引导出来形成光电流从而通过光电流的强弱，可以判断对应像素处红外辐射强度。例如，依然参见图1所示的包含两个层叠结构的红外探测器，位于上面的层叠结构中的第二电极层4和位于下面的层叠结构中的第一电极层2共同工作，在一定偏压下对第一量子点红外吸收层3因为吸收红外光子而形成的光电子引导出来形成光电流，通过光电流的强弱，可以判断对应像素处红外辐射强度。由此可见，本发明提供的红外探测器的结构设计思路为：衬底和N(N≥2)层量子点探测结构。其中衬底层上紧接着一个电极接触层，为整个堆叠结构的下电极。堆叠结构最上层有一个电极层，为整个堆叠结构的上电极。当N≥2时候，该红外探测器可以探测多个不同的红外辐射波段，此时上下相连的两层结构共用一个公共接触电极层。各层内部为不同尺寸和掺杂浓度的胶体量子点，用于吸收不同波长的红外辐射。其中对于中短波长的红外波段，量子点通过(导带电子和价带空穴)带间跃迁来吸收红外光子，对于中长波红外波段，量子点通过带内带内的子带间跃迁吸收光子。
需要说明的是，当N＝1时，本发明提供的红外探测器为单波长设计，当N≥2时，N每增加一个整数，则重复增加一层电极层和一层量子点红外吸收层。只是需要通过调节各层量子点红外吸收层中量子点的尺寸和材料组分来区分其探测波长，也即各层量子点红外吸收层工作波段互不相同。其工作原理为，通过合适的尺寸和材料组合设计，调节量子点导带和价带(基态)之间的能带间隙，以及带内子带(基态与第一激发态)之间的能带间隙。各量子点红外吸收层，可以通过导带基态和价带基态之间的带间跃迁来吸收红外辐射；也可以是通过同一个能带，比如导带，内部的基态和第一激发态之间的跃迁来吸收红外辐射。其中对于同一能带内部的子能级间的跃迁吸收，需要通过适当的重掺杂，使得量子点内费米能级恰好在基态能级和第一激发态之间，从而可以在红外辐照下，基态电子可以吸收红外光子后跃迁到第一激发态，并让读出电路读取到相应的红外辐射信息。
由此可见，本发明实施例通过堆叠式的多层结构设计，将不同探测波长的红外探测材料集成在同一个衬底结构上，可以扩大器件探测范围，提高系统性能。不同层的探测材料吸收红外辐射的方式可以为带间跃迁，或者带内的子能级之间的跃迁。通过灵活的组合方式，实现对不同波长红外辐射的同时探测。例如，本发明实施例可以通过改变胶体量子点的尺寸和材料组合，并堆叠不同层数的量子点材料，可以实现同时对多个波长的探测。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例还提供了一种红外成像仪，包括上述任一实施例所述的红外探测器。由于本实施例的红外成像仪包含上述实施例所述的红外探测器，因此，本实施例具备和上述实施例类似的技术效果，此处不再赘述，此外，具体原理描述也可参见上述实施例的介绍，此处不再赘述。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例还提供了一种红外探测器的制备方法，图7为本发明实施例提供的一种红外探测器制备方法的流程图，如图7所示，所述制备方法包括：
步骤S701：制备衬底层；
在本步骤中，可以通过湿法清洗再烘干或等离子体清洗的方法清洗衬底层的材料件，进行洁净处理，并对衬底层的材料件加工光学结构或涂覆光学薄膜以增强红外探测器对红外辐射的吸收能力，进而形成衬底层，所述衬底层可透过预设的红外辐射波段的红外辐射。
步骤S702：在所述衬底层上方自下而上制备至少一个层叠结构，并在最上方的层叠结构的表面制备顶层电极层；其中，每个层叠结构均包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层，对于每个层叠结构，量子点红外吸收层的尺寸小于电极层，对于相邻的两个层叠结构，位于上方的层叠结构的电极层与位于下方的层叠结构的量子点红外吸收层的尺寸相同，位于上方的层叠结构的电极层的尺寸小于位于下方的层叠结构的电极层；
其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同；
所述衬底层以及每个层叠结构中的电极层对各个量子点红外吸收层吸收的红外辐射透明；
其中，所述量子点红外吸收层是通过前驱动液配置，并经过配体交换获得的。
步骤S703：制备层叠结构的步骤包括：
通过沉积或溅射的方式制备电极层；
在所述电极层上制备量子点红外吸收层，具体包括：通过前驱动液配置，并经过配体交换获得预设浓度的掺杂；
其中，对于不同层叠结构，通过改变量子点的尺寸和材料，获得能够吸收不同波长红外辐射的量子点红外吸收层。
在本实施例中，需要说明的是，本实施例中的包含胶体量子点的红外吸收层的制备比较简单，只需化学配制即可，无需昂贵的MBE或MOCVD设备。
在上述步骤中通过甩胶、曝光和显影形成图4所示的多像元阵列式结构，每个层叠结构中的电极层经过刻蚀处理形成台阶结构。
需要说明的是，在第一电极层上形成第一量子点红外吸收层时，首先，选定胶体量子点的材料，比如选择Pbs量子点或PbSe量子点，然后配置前驱体溶液，通过配体交换获得重掺杂的各胶体量子点，所述掺杂既可以是N型掺杂，也可以是P型掺杂，比如利用碘分子通过配体交换可以使得Pbs量子点得到重掺杂，从而使得各胶体量子点内费米能级处于基态能级之上、第一激发态能级之下，还要通过红外吸收层尺寸材料的设置使得所述胶体量子点的子能级的基态和第一激发态之间的能量间距对应所述红外辐射波段。
需要说明的是，在衬底层上通过沉积或溅射形成第一电极层，所述第一电极层用于连接外部的偏置电压，以传导电流，并且所述第一电极层还充当接触层，进而实现衬底层和红外吸收层的连接。
在所述红外吸收层上通过沉积形成第二电极层，所述第二电极层可透过预设的红外辐射波段的红外辐射。
上述多个胶体量子点形成的导带或价带内部的子能级的基态和第一激发态之间的能量间距与预设的红外辐射波段的对应，是通过合理设置红外探测器中各个部件的结构和尺寸来实现的：当红外探测器为一个单像元结构或其仅包括一个像元时，需要合理设置衬底层1、第一电极层2、第一量子点红外吸收层3和第二电极层4的结构、各边尺寸以及各层的厚度，当红外探测器为一个多像元结构或其包括多个像元时，还需要考虑各个单像元结构的排布方式以及各个像元之间(各像元的红外吸收层3之间或各第二电极层4之间)的间隔距离。上述各参量均可以根据实际需求具体设计，此处不作限制。
步骤S704：在制备得到衬底层后，在所述衬底层上制备红外辐射吸收增强层，所述红外辐射吸收增强层包括：预设特定的光学结构或预设光学膜：
其中，当红外辐射吸收增强层包括预设光学结构时，在所述衬底层上制备所述光学结构；当红外辐射吸收增强层包括预设光学膜时，在所述衬底层上涂覆预设光学膜。
可以理解的是，本实施例提供的红外探测器的衬底层可以通过加工各种光学结构或和涂覆特点光学膜，来增强红外探测器对红外辐射的吸收能力。
另外，所述红外探测仪的制备方法，还可以包括退火步骤，以使得各部件之间具有良好的接触效果。
下面结合图1、图4对上述实施例进一步作出说明：
在本实施例中，需要先对衬底层进行洁净处理，包括湿法清洗、烘干、等离子体清洗等步骤；然后对衬底层进行适当的加工，如通过加工各种光学结构或者涂覆特定光学膜，以增强各量子点红外吸收层对红外辐射的吸收，接着制备第一电极层，可以通过沉积、溅射等方法制备；然后制备第一量子点红外吸收层，其通过前驱液配置，并经过配体交换获得所需的特定浓度的掺杂。然后制备第二电极层，其制作在第一量子点红外吸收层之上，对第一量子点吸收层吸收的红外辐射透明。该层与第一电极层共同工作，在一定偏压下可以将第一量子点红外吸收层因为吸收红外辐射而形成的光电子导引出来形成光电流，从而对探测对象成像。然后继续制备第二量子点红外吸收层，并重复制备电极层和量子点红外吸收层的步骤，期间通过改变条件获得吸收波长不同的量子点红外吸收层，最终得到基于胶体量子点的堆叠式多(N)波段红外探测器。在本实施例中，需要说明的是，在基于胶体量子点的堆叠式多波段红外探测器的制备过程中，可以通过适当的退火等处理方式，获得良好的电极接触效应，从而使得光生载流子可以较好地导出到信号读出电路中。此外，需要说明的是，在基于胶体量子点的堆叠式多波段红外探测器的制备过程中，最终可以通过光刻、刻蚀等方法制成阵列式的面阵结构。每个像元的横向尺寸为1-100um(包含两个端点的取值，也即既包含两个端点1和100的取值，又包含1与100之间的取值)，像元间距为1-100um(包含两个端点的取值，也即既包含两个端点1和100的取值，又包含1与100之间的取值)。当N≥2时，则上面的量子点层红外吸收层和电极接触层所制成的像元，比下面的小。
步骤1)：对材料洁净处理，包括湿法清洗、烘干等步骤；
步骤2)：通过甩胶，曝光，显影等形成如图4所示阵式薄膜(像元)结构，每一小块薄膜尺寸相同(图4中箭头d所指)。经过刻蚀过程将第一电极层(箭头c所指)显露出来，形成台阶结构，如图1箭头c所指。
步骤3)：对步骤2的残胶进行清洗，形成洁净表面；
步骤4)：在此进行甩胶，曝光，显影等操作，在样品上形成薄膜阵列式薄膜(像元)结构，每一小块薄膜尺寸相同，但比步骤2所形成的薄膜边长小5-20um(包含两个端点的取值，也即包含两个端点5和20的取值，又包含5与20之间的取值)。各薄膜(箭头e)与其下台阶结构(箭头d)中心对齐；经过刻蚀过程将第二电极接触层(图4箭头d)显露出来，形成台阶结构，如图1箭头d所指。
步骤4)：对步骤4的残胶进行清洗，形成洁净表面；
步骤5)：通过键合等互联方式，将上述形成的阵列是像元结构与读出电路互联。通过每一个像元中的每一层量子点红外辐射吸收层上下电极施加偏置电压，读取其在红外辐照下形成的光电流信号。
下面以PbS胶体量子点为例，说明一下包含胶体量子点的红外吸收层的制备和掺杂过程：具体来说，PbS量子点可以通过化学合成法制备。例如，可以将5克高纯一氧化铅(PbO)，500毫升90％纯度的1-十八烯(ODE)和38毫升90％纯度的油酸(OA)置于3颈圆底烧瓶中，并在90摄氏度的真空环境下脱气。然后在氩气下将反应温度升高到95-100摄氏度，并快速注入稀释于30毫升1-十八烯中的600微升六甲基二硅硫烷。((TMS)2S)数分钟后以每分钟7.5毫升的速度滴入融有750微升六甲基二硅硫烷的90毫升1-十八烯溶液。此后对反应进行等分检验，直到获得所需要尺寸量子点，此后便可停止反应，并逐渐冷却。随后，还需要通过用无水丙酮和乙醇将量子点沉淀纯化数次，然后再分散在无水甲苯中。最后，将浓度调节到每毫升300毫克，并向溶液中通入氮气，以最大程度地减少量子点的氧化。
上述制备好的量子点还需要进行掺杂。首先将量子点溶液以每分钟2000-3000转的速度旋涂在钠钙玻璃基板上，并形成薄膜。然后将薄膜用融有碘化锌的3巯基丙酸溶液处理数秒，并再次启动旋涂机进行干燥处理，同时滴入甲醇以除掉多余的配体。对上述过程进行重复，直到获得期望厚度的薄膜。
需要说明的是，上述方式只是一个制备掺杂胶体量子点的具体实施例。本发明所主张的器件工作原理和器件结构，同时适用于其它种类和其它方式制备的胶体量子点。
本发明实施例降低了多波段红外光电探测器的制造成本。本发明实施例所述方法适用于各类胶体量子点红外探测器的制备。
本发明与以往发明相比，具有以下意义：
(1)同单层红外辐射吸收层结构相比，堆叠式结构大大扩展了探测波段范围；
(2)同外延式方式制备的红外探测器相比，降低了材料制备成本。
需要指出的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制范围。该型器件中的掺杂，既适用于n型掺杂，也适用于p型掺杂。尽管只给出了两层量子点红外吸收层的例子，但同样适用于制作更多层量子点红外吸收层的器件。各量子点吸收层的工作方式既可以是导带和价带之间的带间跃迁，也可以是同一能带内的带内(子能级间)跃迁。上述示意图中，每个像元形状为正方形，但在必要的情况下，也可以使用其它形状。
此外，需要说明的是，由于本实施例提供的制备方法是上述实施例中的红外探测器的制备方法，因此，关于一些原理和结构等方面的详细内容，可以参见上述实施例的介绍，本实施例对此不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种红外探测器，其特征在于，包括至少一个像元，所述像元包括：从下至上依次设置的衬底层、至少一个层叠结构和顶层电极层；
所述层叠结构包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层；
其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，对于每个层叠结构，量子点红外吸收层的尺寸小于电极层，对于相邻的两个层叠结构，位于上方的层叠结构的电极层与位于下方的层叠结构的量子点红外吸收层的尺寸相同，位于上方的层叠结构的电极层的尺寸小于位于下方的层叠结构的电极层。
3.根据权利要求1或2所述的红外探测器，其特征在于，当所述红外探测器包括多个像元时，所述多个像元呈阵列排布。
4.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，在所述衬底层与层叠结构间设置有红外辐射吸收增强层，所述红外辐射吸收增强层包括:预设特定的光学结构或预设光学膜以增强对红外辐射的吸收。
5.根据权利要求3所述的红外探测器，其特征在于，相邻两个像元的间距为10～50μm。
6.根据权利要求4或5所述的红外探测器，其特征在于，各个层叠结构中的电极层的厚度为50～500nm。
7.一种红外成像仪，其特征在于，包括：如权利要求1-6任一项所述的红外探测器。
8.一种红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
制备衬底层；
在所述衬底层上方自下而上制备至少一个层叠结构，并在最上方的层叠结构的表面制备顶层电极层；其中，每个层叠结构均包括从下至上依次设置的电极层和量子点红外吸收层；
其中，所述量子点红外吸收层中包含有预设数量的胶体量子点，用于探测红外辐射；其中，不同层叠结构中的量子点红外吸收层探测的红外辐射的波长不同；
其中，所述量子点红外吸收层是通过前驱动液配置，并经过配体交换获得的。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，制备层叠结构的步骤包括：
通过沉积或溅射的方式制备电极层；
在所述电极层上制备量子点红外吸收层，具体包括：通过前驱动液配置，并经过配体交换获得预设浓度的掺杂；
其中，对于不同层叠结构，通过改变量子点的尺寸和材料，获得能够吸收不同波长红外辐射的量子点红外吸收层。
10.根据权利要求8或者9所述的制备方法，其特征在于，还包括：
在制备得到衬底层后，在所述衬底层上制备红外辐射吸收增强层，所述红外辐射吸收增强层包括:预设特定的光学结构或预设光学膜；
其中，当红外辐射吸收增强层包括预设光学结构时，在所述衬底层上制备所述预设光学结构；当红外辐射吸收增强层包括预设光学膜时，在所述衬底层上涂覆所述预设光学膜。
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