CN114759099A - 一种电介质增强的自驱动光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种适用于增强任何结型器件光电探测性能的自驱动光电探测器及其制备方法，自驱动光电探测器包括四层薄膜构成，自下而上依次为底电极层、电介质层、结型材料层和顶电极层；电介质层提供的静电场对各类结型器件的光生伏特效应进行增益，从而实现高性能的自驱动探测；底电极层、电介质层、结型材料层和顶电极层通过磁控溅射法、溶胶凝胶法、旋涂乳液法、蒸镀法等叠加制作。本发明提供了一种新型的自驱动光电探测器，利用电介质提供静电场对各类结型器件进行增益，从而实现高效的自驱动光电探测，具有可适用于任何结型器件，结构简单，易制作，环境友好，且能大幅提升传统探测器性能等特点。
Description
技术领域
本发明属于自驱动半导体光电探测器件技术领域，尤其涉及一种电介质增强的自驱动光电探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测器已经广泛应用于军事国防及民用生活领域，包括预警遥控、空间天文望远、通信、环境监测、化学/生物传感和光电子存储领域。传统的光电探测器基于光电效应原理，主要有紫外光电管，金属半导体肖特基结，PN结器件等。近年来，为了适应节能环保和复杂环境下运用趋势，发展自供电的光电探测器成为人们研究的主流方向。如今许多基于传统探测原理的自驱动光电探测器被提出，通过制作肖特基结、PN结、异质结等的结型器件，以及钙钛矿材料的自驱动光电探测器等。专利名称为一种自驱动光电探测器及其制备方法，授权公告号为CN 108767116 B的中国专利公开了利用了ZnO纳米棒/CH3NH3PbI3形成的有机无机杂化异质结结构及以半导体氧化物MoO3为空穴传输层，实现了对光的探测，然而依然需要外接偏压来提升其性能，同时含铅类钙钛矿也有环境不友好，对人体有害等缺点。专利名称为二硒化钨和金属垂直型肖特基结自驱动光电探测器及制备，授权公共号为CN 108281493 B的中国专利公开了采用了光照下二硒化钨和金属形成的肖特基结所产生的光伏效应，实现器件自驱动探测；但该技术方案具有高质量结晶材料制作困难，器件性能不高的缺点。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，发明了一种电介质增强的自驱动光电探测器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种电介质增强的自驱动光电探测器，其特征在于，所述的自驱动光电探测器包括四层薄膜构成，自下而上依次为底电极层、电介质层、结型材料层和顶电极层或自下而上依次为底电极层、结型材料层、电介质层和顶电极层；所述的电介质层提供的静电场对各类结型器件的光生伏特效应进行增益，从而实现高性能的自驱动探测。
进一步，所述的底电极层和顶电极层为金属电极材料或透明电极材料或常规金属叉指电极，比如Cu、FTO、AZO、ITO等。
进一步，结型材料层与底电极层或顶电极层形成半导体结型层；所述的结型材料层为光敏半导体材料、二维金属材料或钙钛矿材料，比如TiO2、CaTiO3、NIO、Ga2O3、Si等。
进一步，所述的电介质层为极性高分子聚合物材料，比如采用聚四氟乙烯(PTFE)薄膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
一种用于制备上述电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用ITO玻璃作为衬底，采用磁控溅射的方式，以TiO2为靶材使用射频靶在ITO面上生长一层的TiO2；
(2)将步骤(1)溅射得到的TiO2取出，在空气条件下放置于退火炉中退火，得到TiO2薄膜；
(3)将步骤(2)退火后的ITO-TiO2薄膜自然冷却后，采用磁控溅射的方法，以PTFE为靶材使用射频靶在TiO2上面生长一层PTFE薄膜；
(4)将步骤(3)得到的ITO-TiO2-PTFE薄膜取出，利用高真空热蒸镀系统在PTFE薄膜上蒸镀一层Cu电极层。
进一步，所述的步骤(1)中ITO玻璃为底电极层，所述的底电极层能够使半导体结型层吸收光，增强探测器的光感性能。
进一步，所述的步骤(1)中TiO2层采用磁控溅射法或溶胶凝胶法制备，TiO2层的厚度为150nm～400nm。
进一步，所述的步骤(3)中PTFE薄膜采用磁控溅射法或旋涂乳液法制备，PTFE薄膜的厚度为50nm～800nm。
进一步，所述的步骤(3)中Cu电极层采用蒸镀法或磁控溅射法制备。
本发明的优点在于：本发明提供了一种简易的、新型的自驱动光电探测器，采用磁控溅射法，通过控制射频靶的功率及磁控溅射工作腔内的气压来制备；探测器利用电介质提供的静电场对各类结型器件的光生伏特效应进行增益，从而实现高性能的自驱动探测，具有可适用于任何结型器件，结构简单，易制作，环境友好，且能大幅提升传统探测器性能等特点；同时电介质层还具有高电阻率的特性，使得器件能够极大降低暗电流，提高光电探测率；结型材料层可换做对照不同禁带宽度的半导体材料达到对不同波长的光的探测，也可以变更改变探测器的工作模式，如换成异质结、肖特基结、PN结等。
附图说明
图1是本发明一种电介质增强的自驱动光电探测器的结构示意图；
图2是传统TiO2异质结紫外光电探测器的电流响应图；
图3是本发明TiO2自驱动紫外光电探测器电流响应图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
在本发明的描述中，需要说明的是，“前”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种电介质增强的自驱动光电探测器，其特征在于，所述的自驱动光电探测器包括四层薄膜构成，自下而上依次为底电极层、电介质层、结型材料层和顶电极层或自下而上依次为底电极层、结型材料层、电介质层和顶电极层；所述的电介质层提供的静电场对各类结型器件的光生伏特效应进行增益，从而实现高性能的自驱动探测。结型材料层与底电极层或顶电极层形成半导体结型层；底电极层和顶电极层为金属电极材料或透明电极材料；结型材料层为光敏半导体材料、二维金属材料或钙钛矿材料，比如PN结、肖特基结或异质结；电介质层为高分子有机物材料，如PDMS、硅橡胶、尼龙等。探测器的制作方法主要是通过磁控溅射法、溶胶凝胶法、旋涂乳液法或蒸镀法等方法叠加制作底电极层、电介质层、结型材料层和顶电极层。本发明的自驱动光电探测器可适用于半导体光敏材料和钙钛矿材料的光生伏特效应器件。
本实施方式中的探测器制作方法中底电极层采用ITO玻璃，电介质层采用TiO2，结型材料层采用PTFE薄膜，顶电极层采用Cu；具体的制作方法如下：
制作方法一
一种电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法包括包括如下步骤：
(1)采用ITO玻璃作为衬底，采用磁控溅射的方式，以80％以上纯度的TiO2为靶材在ITO面上生长一层150nm厚的TiO2；
(2)将步骤(1)溅射得到的TiO2取出，在空气条件下放置于退火炉中退火90min，得到TiO2薄膜；
(3)将步骤(2)退火后的ITO-TiO2薄膜自然冷却后，采用磁控溅射的方法，以80％以上纯度的PTFE为靶材在TiO2上面生长一层50nm厚的PTFE薄膜；
(4)将步骤(3)得到的ITO-TiO2-PTFE薄膜取出，利用高真空热蒸镀系统的环境中在PTFE薄膜上蒸镀一层Cu电极。
制作方法二
一种电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法包括包括如下步骤：
(1)采用ITO玻璃作为衬底，采用磁控溅射的方式，以80％以上纯度的TiO2为靶材在ITO面上生长一层400nm厚的TiO2；
(2)将步骤(1)溅射得到的TiO2取出，在空气条件下放置于退火炉中退火70min，得到TiO2薄膜；
(3)将步骤(2)退火后的ITO-TiO2薄膜自然冷却后，采用磁控溅射的方法，以80％以上纯度的PTFE为靶材在TiO2上面生长一层800nm厚的PTFE薄膜；
(4)将步骤(3)得到的ITO-TiO2-PTFE薄膜取出，利用高真空热蒸镀系统的环境中在PTFE薄膜上蒸镀一层Cu电极。
本发明制作的探测器的顶电极层与结型材料层构成半导体结型层，电介质层为驻极体，在制备过程中通过摩擦电极化作用在界面上产生静电，同时作为高阻层降低暗电流。由于不同材料的电子亲和能不同，顶电极层与结型材料层的接触面之间有极弱的接触电势差，而电介质层在其表面带有电荷，产生静电场。在光暗条件下，半导体材料中没有光生载流子，由于半导体结型层的接触电位差很弱，电介质层的高阻抗，探测器输出微小的短路暗电流；在光照条件下，半导体材料吸收光子产生光生载流子，光生载流子在半导体结型层内建电场和电介质层提供的静电场的共同作用下，光生载体被加速分离扩散，产生了增强的光伏效应。探测器使用时在顶电极层和底电极层间产生电势差，驱动电子在外电路中形成探测电流，持续的光照产生持续的光生载流子，产生稳定的电势差，形成稳定的探测电流。当光源关闭时，半导体材料不再产生光生载流子，顶电极层和底电极层间无光生电势差，外部电路电流下降，恢复为不导通状态。
尽管上文对本发明的具体实施方案进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方案进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
Claims (9)
1.一种电介质增强的自驱动光电探测器，其特征在于，所述的自驱动光电探测器包括四层薄膜构成，自下而上依次为底电极层、电介质层、结型材料层和顶电极层或自下而上依次为底电极层、结型材料层、电介质层和顶电极层；所述的电介质层提供的静电场对各类结型器件的光生伏特效应进行增益，从而实现高性能的自驱动探测。
2.根据权利要求1所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器，其特征在于，所述的底电极层和顶电极层为金属电极材料或透明电极材料。
3.根据权利要求2所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器，其特征在于，结型材料层与底电极层或顶电极层形成半导体结型层；所述的结型材料层为光敏半导体材料、二维金属材料或钙钛矿材料。
4.根据权利要求3所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器，其特征在于，所述的电介质层为极性高分子聚合物材料。
5.一种用于制备上述电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用ITO玻璃作为衬底，采用磁控溅射的方式，以TiO2为靶材使用射频靶在ITO面上生长一层的TiO2；
(2)将步骤(1)溅射得到的TiO2取出，在空气条件下放置于退火炉中退火，得到TiO2薄膜；
(3)将步骤(2)退火后的ITO-TiO2薄膜自然冷却后，采用磁控溅射的方法，以PTFE为靶材使用射频靶在TiO2上面生长一层PTFE薄膜；
(4)将步骤(3)得到的ITO-TiO2-PTFE薄膜取出，利用高真空热蒸镀系统在PTFE薄膜上蒸镀一层Cu电极层。
6.根据权利要求5所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中ITO玻璃为底电极层，所述的底电极层能够使半导体结型层吸收光。
7.根据权利要求5所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中TiO2层采用磁控溅射法或溶胶凝胶法制备，TiO2层的厚度为150nm～400nm。
8.根据权利要求5所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中PTFE薄膜采用磁控溅射法或旋涂乳液法制备，PTFE薄膜的厚度为50nm～800nm。
9.根据权利要求5所述的一种电介质增强的自驱动光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中Cu电极层采用蒸镀法或磁控溅射法制备。
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