CN112864270B - 光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器 - Google Patents
光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，包括基底、栅电极、栅绝缘层、源电极、P型有源层、I型量子点感光层、N型半导体层、漏电极，其中不同波段的量子点可用于为不同像素的晶体管探测器。利用栅极作为行扫描线，通过源漏极作为信号读取线路读取光谱信号，并利用与背景光电信号的差值实现被测物的光谱测量。本发明解决了传统光谱探测器光学分光组件体积过大，光电信号读取分离以及探测波段局限等系列难题，实现了利用量子点的窄带宽光电响应特点以及薄膜晶体管(TFT)光电集成度高的优势，制造出不需要光栅分光的量子点晶体管型的光谱探测器。
Description
技术领域
本发明涉及探测器，特别是涉及一种无光栅量子点光谱探测器。
背景技术
目前，应用于工业领域金属成分、含量、锈蚀等信息识别的快检仪器得到了极大的发展。但是，利用超声波回波信号的无损探测器、以及电化学类的有损的检测仪器极为笨重，价格昂贵(普遍在8万元以上)，难以便携测量不够精确，且无法大规模装备。
通过光电光谱传感器能精确快速的对金属含量、气体成分进行识别，便于大规模装备，并拓展快速检测技术在工业领域的应用范围。而包括X射线无损检测(XRD等)、傅里叶红外光谱仪、红外拉曼光谱仪等在内的光电光谱测试仪器，装备有庞大的分光光栅，机械扫描装置等部件。在体积、价格、兼容性、智能化方面面临着巨大的挑战，仅能够满足科研与实验室标准化检测等需求。因此，制造一种无光栅结构的光谱探测器，对光谱仪器的大规模应用具有重大意义。
发明内容
发明目的：基于现有技术中光电光谱传感器存在的不足，如光栅分光组件体积庞大，探测元件和电信号读取元件难以集成，探测范围小，信号读取持续性差，效率低下等问题；本发明提供一种TFT集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，是一种高度集成的基于P-I-N异质结的高效率光电光谱探测器，具有更高的转换效率和集成化程度，更强的基底适配性。
技术方案：本发明所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器是一种基于P-I-N光电TFT的高效率光谱探测器，探测器的传感单元包括基底，设于基底上方的栅绝缘层，嵌于栅绝缘层和基底之间的栅电极，设置于栅绝缘层上方的源电极(-)、P型有源层、量子点感光层，设于量子点感光层上方的N型半导体层，以及设置于N型半导体层上方的漏电极(+)，P型有源层、量子点感光层、N型半导体层构成P-I-N光电异质结构，且量子点感光层掺杂有中心波长不同的量子点，使集成后的TFT阵列每个传感器单元的探测中心波长不同。
其中，栅电极作为行扫描线路；P型有源层与N型半导体层反偏连接成P-I-N沟道，并利用源漏极信号读出为传感单元的输出信号。不同波段的量子点可用于为不同像素的晶体管探测器，通过信号读取电路读取光谱信号，并利用与背景光电信号的差值实现被测物的光谱测量。这种探测中心波段不同的光谱探测器，能够替代传统光谱仪前端的光栅分光的功能，具备应用在未来便携，甚至可穿戴的光谱仪器中的巨大应用潜力。
所述量子点感光层利用感光波长不同的量子点感应核心测试不同波段对应的电流电压信号。感光层中掺杂量子点为硒化镉量子点(400-700nm)，也可以是不同波段的碳量子点(500-700nm)、硅量子点(500-850nm)、锗量子点(900-1500nm)、硒化锌量子点(300-450nm)、硫化铅量子点(300-450nm)、碲化铅量子点(1000-1600nm)、以及硫化铜量子点其中的一种或者多种。
本发明的晶体管制备方法，包括如下步骤：
(1)在基底上沉积电极，并刻蚀形成平面栅电极，作为附图传感阵列的行扫描线路；在基底上沉积无机或有机的栅绝缘材料的栅绝缘层；
(2)利用光刻或打印等半导体图形化制造方式在栅绝缘层上沉积电极，并图形化为平面源电极；
(3)在平面源电极上利用蒸镀、沉积或其他转移技术制备P型有源层后，旋涂或打印方法制造量子点感光层；
(4)在量子点感光层上利用蒸镀、沉积或其他转移技术制备N型半导体层形成异质结；
(5)利用光刻或打印的方式，在N型半导体层上制备透明电极，并刻蚀作为平面漏电极。
所述基底所用材料为玻璃基底或半导体基底，半导体基底可以是Si、蓝宝石、氮化镓、碳化硅、砷化镓基底材料。
所述栅绝缘层为无机或有机栅绝缘材料；具体地，可以是二氧化硅、氮化硅、氧化铝等利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射的固体绝缘层，也可以是利用旋涂、打印或点胶方法制造的PMMA、Su8等溶胶凝胶的有机物栅绝缘层。
其中，制备N型半导体层所用材料可以是氧化锌(ZnO)、也可以是IGZO、SnO2等宽禁带的金属氧化物半导体，使用的无机半导体材料其热稳定性及抗腐蚀性远远优于有机材料，且具有导电性好，透明度高等优势。
制备P型有源层所用材料可以是P型NiO、石墨烯纳米网格、掺杂的硫化钼或SI-Ge之类的半导体合金。所述P型有源层(5)可以通过掺杂碲等杂质，也可以采用金纳米薄膜和小孔结构的方式，改善量子点光晶体管探测器在信号强度持续方面的不足。
所述栅绝缘层的制备方法包括：可以利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射的沉积、蒸镀工艺制造二氧化硅、氮化硅、氧化铝等固体绝缘层，也可以通过将使用打印或旋涂的有机光胶涂在基板上，利用曝光显影和退火交联的方式，使其固化为栅绝缘层。其中所用的有机光胶可以是Su8-2002、PMMA等材料。
电极为掺杂氧化铟锡(ITO)或者石墨烯的透明电极；电极的制备可以采用打印或者物理气相沉积的方法。
步骤(2)或步骤(4)所述的打印或者光刻的工艺，可以采用如图2的TFT版图设计光刻掩膜或者打印图例，也可以采用其他的TFT或者CMOS型的设计掩膜用以集成传感单元间的电路布线。
作为一种可选方案，在步骤(3)中制备P型有源层也可以采用磁控溅射方式沉积NiO半导体层外，可以通过化学气相沉积的方式制备P型低温多晶硅薄膜，也可以通过化学湿法转移的方式将气相沉积的石墨烯、硫化钼利用PMMA等方式转移到器件基底上，并利用纳米工艺制造P型石墨烯网格，或掺杂碲等元素方式制造P型硫化钼纳米片；
作为一种可选方案，在步骤(4)中制备N型层也可以采用磁控溅射方式沉积IGZO半导体层外，可以通过化学气相沉积的方式制备N型低温多晶硅薄膜，也可以通过蒸镀法、激光辅助沉积法、溅射法、原子层沉积法中的一种或者几种制备N型无定形硅、微晶硅、单晶硅、氧化锌等N型半导体层；
本发明提供的一种光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，传感单元包括基底、栅电极、栅绝缘层、源电极、P型有源层、I型量子点感光层、N型半导体层、漏电极，其中不同波段的量子点可用于为不同像素的晶体管探测器。利用栅极作为行扫描线，通过源漏极作为信号读取线路读取光谱信号，并利用与背景光电信号的差值实现被测物的光谱测量。本发明解决了传统光谱探测器光学分光组件体积过大，光电信号读取分离以及探测波段局限等系列难题，实现了利用量子点的窄带宽光电响应特点以及薄膜晶体管(TFT)光电集成度高的优势，制造出不需要光栅分光的量子点晶体管型的光谱探测器。
有益效果：本发明中的光电TFT探测器件不仅具有源极、栅极、漏极三个传统的调制端，还具有探测光作为第四个调制端，使之兼具光电探测与电信号读取功能，避免了使光电探测元件与TFT结合的繁杂过程，完美的弥补了当前市场光电探测器在光谱测试中存在的缺陷。同时利用量子点在改变尺寸的情况下可以改变感光的波段，因此利用集成电路以及喷墨打印等微加工工艺实现每个探测像素不同的光电响应中心波长，实现不同波段光谱信号的探测。
附图说明
图1是本发明的基于P-I-N光电TFT的高效率光谱探测器件的横截面结构示意图。
图2是本发明的TFT光谱探测器的集成传感靶面的显微镜照片和对应顶层结构示意图。
图3是本发明光谱探测器单个TFT单元的电学特征曲线。
图4是两个不同TFT单元的光电光谱响应曲线；(a)和(b)分别对应两个不同TFT单元。
图5是利用光谱传感器传感靶面中的集成传感器群，对掺杂的硅片进行信号采集，并将空白背景信号抠除后的测试光谱曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1所示，本发明的光电TFT的高效率光谱探测器件，包括基底1，设于基底上方的栅绝缘层3，嵌于栅绝缘层和基底之间的栅电极2(用于集成靶面的扫描线路)，设置于栅绝缘层3上方的源电极4(-)(与漏电极一起输出探测采集数据)、P型有源层5、量子点感光层6，设于量子点感光层6上方的N型半导体层7，以及设置于N型半导体层7上方的漏电极8(+)(与源极一起输出探测采集数据)；P型有源层5、量子点感光层6、N型半导体层7构成P-I-N光电异质结构。异质结为掺杂量子点的半导体层，可以实现不同波段光谱信号的响应，并利用外围电路进行信号的放大与采集。
本实施例中基于P-I-N光电TFT的高效率红外探测器件的制备，首先在基底1上沉积平面栅电极2；制备栅绝缘层3；在栅绝缘层3上沉积平面源电极4；在栅绝缘层3上沉积异质结结构P型有源层5，在P型有源体层5上旋涂或喷墨打印或点胶的方法沉积波段不同的量子点；在量子点层6上方沉积N型半导体层7；在N半导体层7上制备透明电极，并将电极刻蚀为平面漏电极8。
且源电极4的一侧面和部分上表面与P型有源层5相接触，P型有源层5的部分上表面和远离源电极4的一侧面与量子点感光层6相接触；量子点感光层6掺杂有中心波长不同的量子点。
具体包括如下步骤：
步骤1：在玻璃基底1上沉积栅电极2；
步骤2：利用化学气相沉积、原子层沉积或磁控溅射的固体绝缘层，或将Su8有机光胶旋涂在基底上，通过紫外曝光和显影工艺，并利用退火等方法热交联固化该混合有机光胶，制备出器件的栅绝缘层3；
步骤3：在栅绝缘层上沉积电极并利用光刻工艺将该电极刻蚀成为器件的源极，在栅绝缘层上利用蒸镀、气相沉积、湿法转移或磁控溅射技术制造P型的高迁移率有源层5；
步骤4：将量子点通过旋涂或打印技术覆盖在P型有源层上形成量子点层6，并再次通过蒸镀、气相沉积、湿法转移或磁控溅射技术，将N型半导体制造在量子点层上，形成N型半导体层7；
步骤5：最后在N型半导体层7上沉积电极，并通过打印或者光刻技制造成为器件的漏电极8。
如图2所示，本实施例中集成化的传感器靶面在显微镜下呈现的阵列化的传感器集群结构，并且利用外围匹配的放大和信号采集电路能够实现对每个传感像素光电信号的采集工作。
并且如图3所示，其单元结构为典型的TFT特性，证明该传感器通过TFT集成了前述的传感器阵列。图3中有四条曲线，从上至下电压逐渐增大。
同时测试不同的传感器单元能够具备不同的光谱响应曲线。如图4所示，本传感器靶面上的不同的两个传感器分别显示出790纳米和820纳米迥异的两个中心波长。证明在采用不同响应波段量子点后，传感器的每个单元具备不同的光谱响应特征，能够具备取代传统光栅分光的功能，并测试光谱信号的能力。
如图5所示，利用这种光谱型的传感器对掺杂的硅材料进行进一步的信号采集，利用不同中心波长的量子点感光核心对光信号进行采集。通过与背景基底的噪声抠除，最终得到特征的光电光谱信号。利用这种集成化的光电光谱芯片，能够为将来其在便携式、穿戴式光谱测试应用场景中，光电传感芯片的设计与开发提供极大的应用潜质。
本发明通过集成化的光电TFT探测靶面和量子点传感技术，设计具备高光谱分辨能力的传感终端。以此实现取代传统笨重昂贵光栅的分光功能，未来能将其应用于便携式工业监测传感器的系统化监测设备。建立以传感器为终端的大数据共享平台，填补国内中高端传感器市场空白。灵活配备合适的信号读出电路和人机交互接口，具备满足工业探测、国防光探测、环境监测等领域重大需求的潜力。
Claims (8)
1.一种光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：传感单元包括基底(1)，设于基底上方的栅绝缘层(3)，嵌于栅绝缘层和基底之间的栅电极(2)，设置于栅绝缘层(3)上方的源电极(4)、P型有源层(5)、量子点感光层(6)，设于量子点感光层(6)上方的N型半导体层(7)，以及设置于N型半导体层(7)上方的漏电极(8)；P型有源层(5)、量子点感光层(6)、N型半导体层(7)构成P-I-N光电异质结构，且量子点感光层(6)掺杂有中心波长不同的量子点，使集成后的TFT阵列每个传感器单元的探测中心波长不同。
2.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：所述量子点感光层(6)中掺杂的量子点为硒化镉量子点、碳量子点、硅量子点、锗量子点、硒化锌量子点、硫化铅量子点、碲化铅量子点以及硫化铜量子点中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：所述栅绝缘层(3)为无机或有机栅绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：所述基底(1)为玻璃、氮化硅或碳化硅蓝宝石。
5.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：电极为掺杂氧化铟锡或石墨烯的透明电极。
6.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：N型半导体层(7)的材料为掺杂铟镓元素的氧化锌。
7.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：P型有源层的材料为P型的NiO、石墨烯纳米网格、掺杂的硫化钼或Si-Ge。
8.根据权利要求1所述的光晶体管集成传感核心的无光栅量子点光谱探测器，其特征在于：所述光谱探测器的制备方法包括：
(1)在基底(1)上沉积电极，并刻蚀形成平面栅电极(2)，作为传感阵列的行扫描线路；在基底上沉积栅绝缘层(3)；
(2)在栅绝缘层(3)上沉积电极，并图形化为平面源电极(4)；
(3)在平面源电极(4)上制备P型有源层(5)，后采用旋涂或打印方法制造量子点感光层(6)；
(4)在量子点感光层(6)上制备N型半导体层(7)形成异质结；
(5)在N型半导体层(7)上制备透明电极，并刻蚀作为平面漏电极(8)。
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