CN113097331A - 基于石墨烯和量子点的红外探测器 - Google Patents
基于石墨烯和量子点的红外探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113097331A CN113097331A CN202110208848.3A CN202110208848A CN113097331A CN 113097331 A CN113097331 A CN 113097331A CN 202110208848 A CN202110208848 A CN 202110208848A CN 113097331 A CN113097331 A CN 113097331A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- quantum dot
- layer
- infrared detector
- infrared
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 56
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 56
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 8
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 claims description 8
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical group [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 6
- JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N molybdenum trioxide Chemical compound O=[Mo](=O)=O JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 4
- -1 graphite alkene Chemical class 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229920000768 polyamine Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 8
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 64
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 125000005259 triarylamine group Chemical group 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
- H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开一种基于石墨烯和量子点的红外探测器，包括量子点LED，该量子点LED的电子传输层与阴极之间设置有石墨烯红外吸收层，该石墨烯红外吸收层分别与所述电子传输层和阴极耦合。采用石墨烯光电转换，结合量子点LED成像的方式，实现从红外景像到可见光图像的直接转换输出，极大简化了红外探测器的外部电路，缩小了探测器的体积，并且对红外辐射的入射角度等无要求，具有极大的光电流增益，转换效率更高，石墨烯具有良好的热稳定性，因此，整个红外探测器也无需进行制冷。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是涉及一种专门适用于光发射的半导体器件。
背景技术
红外探测成像及其相关技术，在最近二十年取得了飞速的发展，已广泛应用于电力、医疗、消防、公安、冶金、化工、国防建设等多个军民领域。红外技术的核心问题如何是将具有远红外、中红外，或近红外辐射特征的目标景象，转变成为人眼可视的可见光图像。
目前，红外探测器主要分为两类，第一类是利用光热效应，即将入射光子的能量直接转化为热量，从而引起材料电阻率的改变。这类探测器能够在常温下工作，但是灵敏度很低，无法满足实际需求。
第二类是基于光电效应，这类探测器直接将光子转化成电流，因此具有很高的灵敏度。虽然光子探测器灵敏度高，响应速度快，但光子探测机制决定了其一般需在低温下工作，以抑制在室温下因探测器材料产生热激发而引起过大的暗电流和噪声，且响应的频谱范围有限，严重限制了这类探测器的适用环境。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于石墨烯和量子点的红外探测器，采用石墨烯光电转换，结合量子点LED成像的方式，实现从红外景像到可见光图像的直接转换输出，极大简化探测器的外部电路，缩小探测器的体积，且响应频率范围广，无需制冷。
技术方案如下：
一种基于石墨烯和量子点的红外探测器，包括量子点LED，在第一种可实现方式中，该量子点LED的电子传输层与阴极之间设置有石墨烯红外吸收层，该石墨烯红外吸收层与所述电子传输层和阴极耦合。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，所述石墨烯红外吸收层包括多层石墨烯层，每层石墨烯层之间设置有势垒层。
结合第二种可实现方式，在第三种可实现方式中，所述势垒层材料为二硫化钼。
结合第一种可实现方式，在第四种可实现方式中，所述量子点LED的阳极和阴极均为单层的石墨烯电极层。
结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，所述量子点LED的阳极为石墨烯电极层，阴极为铝电极层。
结合第一种可实现方式，在第六种可实现方式中，所述电子传输层为氧化锌层。
结合第一种可实现方式，在第七种可实现方式中，所述量子点LED的空穴传输层为芳香多胺化合物。
结合第一种可实现方式，在第八种可实现方式中，所述量子点LED的阳极与空穴传输层之间设置有载流子阻挡层。
结合第一种可实现方式，在第九种可实现方式中，所述载流子阻挡层的材料为三氧化钼。
结合第一种可实现方式，在第十种可实现方式中，所述量子点LED的衬底为透明玻璃。
有益效果：采用本发明的基于石墨烯和量子点的红外探测器，集成多层石墨烯探测器结构和量子点LED，无需复杂的红外相机读出电路，可以直接将中远红外、中红外、近红外辐射转换为可见光图像，超低功耗，无需制冷，厚度薄、结构透明，可直接与眼镜片等曲面玻璃贴合，集成于可穿戴设备中。对红外辐射的入射角度等无要求，从而能够实现对包括垂直入射等宽角度入射红外辐射的吸收和转换，转换效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例一、如图1所示的基于石墨烯和量子点的红外探测器的结构示意图，该红外探测器包括量子点LED，该量子点LED的电子传输层6与阴极8之间设置有石墨烯红外吸收层7，该石墨烯红外吸收层7分别与所述电子传输层6和阴极8耦合。
具体而言，量子点LED包括衬底1，衬底1上设置有阳极2，阳极2上依次生长有载流子阻挡层3、空穴传输层4、量子点发光层5、电子传输层6和石墨烯红外吸收层7，石墨烯红外吸收层7表面覆盖有阴极8，形成pn型结构器件。
由于石墨烯红外吸收层7是无带隙的层间跃迁，因此不需要额外的辐射耦合结构就可以持续吸收远红外、中红外、近红外辐射，从而连续产生大量能级高于石墨烯势垒的电子。产生的电子的能级高于石墨烯势垒，被石墨烯捕获的几率低，具有极大的光电流增益，转换效率高。
石墨烯红外吸收层7产生的电子在偏执电压的作用下，可以沿电子传输层6进入量子点发光层5，在电致发光效应的作用下，量子点发光层5产生可见光子。量子点发光层5产生的光子有小部分会进入石墨烯红外吸收层7中，被石墨烯二次吸收，激发石墨烯产生额外的电子，同时伴随着石墨烯中光生空穴的迅速局域化，具有光学正反馈特性，提高转换效率。
另一部分从衬底1射出探测器，形成可见光图像。整个红外探测器结合了石墨烯光电转换和量子点LED成像的技术，实现从红外景像到可见光图像的直接转换输出，极大简化了红外探测器的外部电路，缩小了整个红外探测器的体积，使红外探测器易于集成到其他器件上。
在本实施例中，优选的，所述石墨烯红外吸收层7包括多层石墨烯层9，每层石墨烯层9之间设置有势垒层10。
在本实施例中，优选的，所述势垒层10材料为二硫化钼。
在本实施例中，优选的，所述量子点LED的阳极2和阴极8均为单层的石墨烯电极层。石墨烯单原子层结构具有极好的平坦性、柔性性，可以减小器件表面的粗糙度，以及避免局部强电场导致电流集中，易于集成在其他器件，如眼镜上。同时石墨烯具有良好的热稳定性，对热不敏感，无需进行制冷，而且具有良好的化学稳定性，可以通过合理掺杂获得所需的稳定的功函数。
在本实施例中，优选的，所述电子传输层6为氧化锌层。
在本实施例中，优选的，所述量子点LED的空穴传输层4包括上层传输层4a和下层传输层4b，下层传输层4b和上层传输层4a依次设置在载流子阻挡层3和量子点发光层5之间，所述下层传输层4b和上层传输层4a可以是由同种聚噻吩类、三芳胺类为代表的芳香多胺化合物制成，如PEDOT-PSS材料、NPB材料。也可以上层传输层4a为PEDOT-PSS材料，下层传输层4b为NPB材料，如此，下层传输层4b可以同时作为空穴传输层和空穴注入层。
在本实施例中，优选的，所述量子点LED的阳极2与空穴传输层4之间设置有载流子阻挡层3。
在本实施例中，优选的，所述载流子阻挡层3的材料为三氧化钼。
在本实施例中，优选的，所述量子点LED的衬底1为透明玻璃。
实施例二、实施二与实施例一大致相同，其主要区别在于：所述量子点LED的阳极2为石墨烯电极层，阴极8为铝电极层。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯和量子点的红外探测器，包括量子点LED，其特征在于：该量子点LED的电子传输层与阴极之间设置有石墨烯红外吸收层，该石墨烯红外吸收层分别与所述电子传输层和阴极耦合。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述石墨烯红外吸收层包括多层石墨烯层，每层石墨烯层之间设置有势垒层。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述石墨烯层为单原子层。
4.根据权利要求2所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述势垒层材料为二硫化钼。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述量子点LED的阳极和阴极均为石墨烯电极层。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述量子点LED的阳极为石墨烯电极层，阴极为铝电极层。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述电子传输层为氧化锌层。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述量子点LED的空穴传输层为芳香多胺化合物。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述量子点LED的阳极与空穴传输层之间设置有载流子阻挡层。
10.根据权利要求9所述的基于石墨烯和量子点的红外探测器，其特征在于：所述载流子阻挡层的材料为三氧化钼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110208848.3A CN113097331A (zh) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 基于石墨烯和量子点的红外探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110208848.3A CN113097331A (zh) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 基于石墨烯和量子点的红外探测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113097331A true CN113097331A (zh) | 2021-07-09 |
Family
ID=76667375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110208848.3A Pending CN113097331A (zh) | 2021-02-24 | 2021-02-24 | 基于石墨烯和量子点的红外探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113097331A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100181552A1 (en) * | 2006-09-29 | 2010-07-22 | Franky So | Method and apparatus for infrared detection and display |
| CN106409957A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-02-15 | 天津理工大学 | 一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料 |
| CN107026238A (zh) * | 2016-01-30 | 2017-08-08 | 兰州大学 | 一种以平面异质结为光敏层的有机近红外上转换器件 |
| CN107316915A (zh) * | 2017-07-04 | 2017-11-03 | 中山大学 | 可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法 |
| CN107658385A (zh) * | 2017-02-23 | 2018-02-02 | 广东聚华印刷显示技术有限公司 | 量子点薄膜及其制备方法 |
| CN108831905A (zh) * | 2018-05-28 | 2018-11-16 | 东南大学 | 一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统、制备方法及成像方法 |
| CN110993702A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-04-10 | 深圳大学 | 基于石墨烯/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器及其制备方法 |
-
2021
- 2021-02-24 CN CN202110208848.3A patent/CN113097331A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100181552A1 (en) * | 2006-09-29 | 2010-07-22 | Franky So | Method and apparatus for infrared detection and display |
| CN107026238A (zh) * | 2016-01-30 | 2017-08-08 | 兰州大学 | 一种以平面异质结为光敏层的有机近红外上转换器件 |
| CN106409957A (zh) * | 2016-11-21 | 2017-02-15 | 天津理工大学 | 一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料 |
| CN107658385A (zh) * | 2017-02-23 | 2018-02-02 | 广东聚华印刷显示技术有限公司 | 量子点薄膜及其制备方法 |
| CN107316915A (zh) * | 2017-07-04 | 2017-11-03 | 中山大学 | 可见光波段的集成石墨烯二硫化钼的光电探测器及其制备方法 |
| CN108831905A (zh) * | 2018-05-28 | 2018-11-16 | 东南大学 | 一种基于半导体量子点的红外探测-可见光显示集成系统、制备方法及成像方法 |
| CN110993702A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-04-10 | 深圳大学 | 基于石墨烯/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Su et al. | Self‐powered ultraviolet photodetectors driven by built‐in electric field | |
| US9006752B2 (en) | Method and apparatus for sensing infrared radiation | |
| EP2718974B1 (en) | Infrared imaging device integrating an ir up-conversion device with a cmos image sensor | |
| US9437835B2 (en) | Transparent infrared-to-visible up-conversion device | |
| KR101036213B1 (ko) | 발광소자와 태양전지 성능을 포함하는 전자소자 | |
| US9997571B2 (en) | Method and apparatus for providing a charge blocking layer on an infrared up-conversion device | |
| CN103180968A (zh) | 具备波长转换功能的有机/无机混合光学放大器 | |
| JP4922238B2 (ja) | 光検出装置構造 | |
| CN109638165B (zh) | 一种多功能的光电子器件 | |
| WO2012138658A2 (en) | Method and apparatus for providing a window with an at least partially transparent one side emitting oled lighting and an ir sensitive photovoltaic panel | |
| He et al. | Integrated tandem device with photoactive layer for near-infrared to visible upconversion imaging | |
| Zhang et al. | High-performance all-solution-processed quantum dot near-infrared-to-visible upconversion devices for harvesting photogenerated electrons | |
| Saleem et al. | Self-powered, all-solution processed, trilayer heterojunction perovskite-based photodetectors | |
| CN113097332B (zh) | 可穿戴红外成像设备 | |
| CN113097331A (zh) | 基于石墨烯和量子点的红外探测器 | |
| Hechster et al. | Electrical and optical characterization of quantum dots PbS/TiO2 based heterojunction as a SWIR detector and a proposed design of PbS/TiO2-PeLED as a SWIR to visible upconversion device | |
| CN101964397B (zh) | 一种基于npb和bnd的紫外光探测器 | |
| WO2021085047A1 (ja) | 光電変換素子、電子デバイスおよび発光装置 | |
| CN110265561A (zh) | 一种纯量子点上转换发光器件及其制备方法 | |
| CN109309104B (zh) | 光转换的器件及其制备方法、红外成像设备 | |
| Liu et al. | Research on Field‐Assisted Gallium Nitride Nanorod Array Photocathode | |
| ISHII | The Electrochemical Society of Japan | |
| Sun et al. | Products of Optoelectronic Devices | |
| TWM498318U (zh) | 堆疊型薄膜光轉換裝置 | |
| WO2019019661A1 (zh) | 光转换的器件及其制备方法、红外成像设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210709 |