CN115588702A - 红外量子点层、器件及其制备方法与应用 - Google Patents

红外量子点层、器件及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN115588702A
CN115588702A CN202211231882.3A CN202211231882A CN115588702A CN 115588702 A CN115588702 A CN 115588702A CN 202211231882 A CN202211231882 A CN 202211231882A CN 115588702 A CN115588702 A CN 115588702A
Authority
CN
China
Prior art keywords
quantum dot
dot layer
infrared
type
hgte
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.)
Granted
Application number
CN202211231882.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115588702B (zh
Inventor
薛晓梦
张硕
刘雁飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Smic Recheng Technology Beijing Co ltd
Original Assignee
Smic Recheng Technology Beijing Co ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Smic Recheng Technology Beijing Co ltd filed Critical Smic Recheng Technology Beijing Co ltd
Priority to CN202211231882.3A priority Critical patent/CN115588702B/zh
Publication of CN115588702A publication Critical patent/CN115588702A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115588702B publication Critical patent/CN115588702B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035218—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum dots
    • 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
    • H01L31/0248—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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—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 characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/0296—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, HgCdTe
    • 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
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • 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
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1828—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIBVI compounds, e.g. CdS, ZnS, CdTe

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及一种红外量子点层、器件及其制备方法与应用，属于光电传感器技术领域。该红外量子点层包括复合一起的p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层，其中，p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层形成P‑I‑N同质结，且本征量子点层比n型量子点层厚。该红外量子点层及由其制得的红外探测器件在室温下能够建立较强的内建电场，有助于进一步提升探测器的探测性能。

Description

红外量子点层、器件及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种红外探测器，属于光电传感器技术领域，具体地涉及一种红外量子点层、器件及其制备方法与应用。
背景技术
在传统的中波红外商业光电探测器中，主要采用分子束外延技术，主要材料有碲化镉(MCT)、量子阱和ii型超晶格等，先通过外延法生长铟柱，再通过倒装键合的方式与硅基读出电路耦合。这样的加工方法周期长，生产率慢材料加工成本高，同时倒装键合的方式键合成功率低，由于块体材料生长困难，技术要求高，成本昂贵，限制了应用范围，未能进行大规模民用生产，仅限于科研和军事的相关研究，不仅如此，由于狭窄的中红外能隙产生较大的热载流子密度，需要冷却实现理想的器件性能，限制了在室温等较高温度环境领域的应用。
在胶体量子点的中波光伏红外探测器中，由于具有合成可扩展性、机械灵活性、广谱可调性、成本低廉、制备简单等优点，HgTe CQD已经成功地应用于中波红外光检测中，实现了光导体、光晶体管、异质结光伏器件、光学结构增强器件和具有多结的双波段光伏器件等。
在已报道的HgTe CQD光伏型光电探测器中，包括采用碲化银量子点(Ag2Te CQDs)实现P型掺杂，例如：通过将Ag2Te CQDs旋涂在HgTe CQDs薄膜上,银离子(Ag+)可以扩散至碲化汞薄膜表面，再用10mM氯化汞/甲醇(HgCl2/MeOH)溶液处理，促进Ag+的扩散。一方面仅靠Ag2Te CQDs作为空穴传输层，无论是对于中波还是短波来说，对于实现高的响应度和EQE(外量子效率)还有一定距离，室温下高性能还有一定的提升空间。这是因为，仅有P型掺杂形成的光电二极管，耗尽层的宽度还不够大，当光照入射时，产生的电子空穴对少，空穴的定向移动生成光电流，光电流自然就小。内建电场还不够强，收集耗尽层外的光子的能力弱，影响光电流的大小和器件的性能。在较高温度下如室温下工作性能迅速降低，比探测率仅有108Jones，预测的探测器的运行高温并未达到。另一方面对于HgTe CQDs来说，这属于一种异质结掺杂，会存在界面传输和载流子速率不匹配的问题，N型材料如果使用不当，造成电子的过度填充，使器件的响应变弱，暗电流增大，因此寻找合适的材料来充当胶体量子点的n型层，满足室温条件下具备一定比探测率及响应度的使用要求，是目前亟需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种红外量子点层、器件及其制备方法与应用，该红外量子点层的p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层复合形成P-I-N同质结，在室温下能够建立较强的内建电场，有助于提升探测器的探测性能。
为实现上述技术目的，本发明公开了一种红外量子点层，包括复合一起的p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层，所述p型量子点层、本征量子点层与所述n型量子点层形成P-I-N同质结，且所述本征量子点层比所述n型量子点层厚。
进一步地，所述本征量子点层为本征HgTe量子点层，所述本征HgTe量子点层为HgTe量子点成膜后在汞盐甲醇溶液中处理，再进行固态配体交换，重复1～10次制得，优选2～8次，更优选3～5次；
所述汞盐甲醇溶液浓度为1～10mM，优选为5～10mM，更优选为10mM；
所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种。
进一步地，所述n型量子点层为n型HgTe量子点层，所述n型HgTe量子点层为HgTe量子点成膜后经固态配体交换、汞盐处理制得；
所述汞盐处理包括浸渍在汞盐的三丁基膦与辛胺的混合溶液中，取出后清洗，继续浸渍在1,6-己二硫醇与异丙醇的混合溶液中；
所述汞盐与所述三丁基膦与辛胺的混合溶液的质量体积百分比为40.3％～645％；所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种；
所述1,6-己二硫醇与异丙醇的体积比为(0.5～2):(25～100)。
进一步地，所述固态配体交换包括浸渍在含有乙二硫醇、盐酸、异丙醇的混合溶液中；所述乙二硫醇、盐酸、异丙醇的体积比为(0.5～2):(0.5～2):(10～40)。
进一步地，所述本征量子点层的厚度为所述n型量子点层的1～10倍，优选为2～6倍。
进一步地，所述p型量子点层为p型HgTe量子点层或p型Ag2Te量子点层。
本发明的目的之二是提供一种红外量子点层的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备HgTe量子点墨水；
(2)取步骤(1)所述HgTe量子点墨水涂覆在衬底表面，再进行固态配体交换、汞盐处理制得n型HgTe量子点层；
(3)取步骤(1)所述HgTe量子点墨水涂覆在步骤(2)所述n型HgTe量子点层表面，之后在汞盐甲醇溶液中处理，再进行固态配体交换，重复1～10次制得本征HgTe量子点层；
(4)在步骤(3)所述本征HgTe量子点层表面复合p型量子点层。
本发明的目的之三是提供一种红外探测器件，包括第一方面所述红外量子点层或第二方面所述方法制得的红外量子点层，还包括底电极与顶电极。
本发明的目的之四是提供一种红外探测器件的制备方法，包括在第一方面所述红外量子点层或第二方面所述方法制得的红外量子点层的顶部及底部分别复合顶电极与底电极。
本发明的目的之五是提供一种第一方面所述红外量子点层或第二方面所述方法制得的红外量子点层或第三方面所述红外探测器件或第四方面所述方法制得的红外探测器件在短波1～2.5μm和/或中波3～5μm中的应用。
本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明提供的红外量子点层的p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层复合形成P-I-N同质结，在室温下能够建立较强的内建电场，有利于提高探测器的探测性能。
2、本发明提供的探测器为P-I-N光伏型探测器，在室温下的短波范围1～2.5um，中波范围3～5um内均具备很好应用前景。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明设计的探测器的结构示意图；
图2为FET转移曲线；
图3为实施例1设计的探测器的结构示意图；
图4为实施例1设计的探测器的结构示意图；
图5为实施例1设计的探测器的短波室温下的I-V曲线；
图6为实施例1设计的探测器的中波室温下的I-V曲线；
图7为对比例1设计的探测器的中波室温下的I-V曲线。
其中，上述附图中各部件编号如下：
101、底电极；102、n型量子点层；103、本征量子点层；104、p型量子点层；105、顶电极。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明涉及到的化合物名称及简写如下：
Te：碲；OAM：油胺；OA：油酸；TOP：三正辛膦；TOPTe：碲的三正辛膦混合物；HgCl2：氯化汞；DDT：十二乙醇；TCE：四氯乙烯；IPA：异丙醇；HgBr2：溴化汞；EdT：乙二硫醇；ITO：氧化铟锡；FTO：掺杂氟的二氧化锡；AZO：掺杂铝的氧化锌。
本发明的第一方面是公开一种红外量子点层，包括复合一起的p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层，所述p型量子点层、本征量子点层与所述n型量子点层形成P-I-N同质结，且所述本征量子点层比所述n型量子点层厚。
在一些实施例中，所述本征量子点层为本征HgTe量子点层，所述本征HgTe量子点层为HgTe量子点成膜后在汞盐甲醇溶液中处理，再进行固态配体交换，重复1～10次制得，优选2～8次，更优选3～5次；其中所述汞盐甲醇溶液为汞盐的甲醇溶液。
所述汞盐甲醇溶液浓度为1～10mM，优选为5～10mM，更优选为10mM；
所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种。
在一些实施例中，所述n型量子点层为n型HgTe量子点层，所述n型HgTe量子点层为HgTe量子点成膜后经固态配体交换、汞盐处理制得；
所述汞盐处理包括浸渍在汞盐的三丁基膦与辛胺的混合溶液中，取出后清洗，吹干；继续浸渍在1,6-己二硫醇与异丙醇的混合溶液中；取出后清洗，吹干。优选所述清洗为冲洗，更优选为异丙醇冲洗，优选所述浸渍为浸泡，更优选为完全浸泡；优选所述吹干为氮气吹干。
所述汞盐与所述三丁基膦与辛胺的混合溶液的质量体积百分比为40.3％～645％；优选为100％～200％，更优选为161％。所述三丁基膦与辛胺的体积比为(0.05～0.2):(0.2～6)，最优选为0.1:3。
所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种，其中，所述质量单位为mg，所述体积单位为mL；
所述1，6-己二硫醇与异丙醇的体积比为(0.5～2):(25～100)，优选为(0.8～1.5):(40～80)，最优选为1:50。
在一些实施例中，所述固态配体交换包括浸渍在含有乙二硫醇、盐酸、异丙醇的混合溶液中，取出后清洗；所述乙二硫醇、盐酸、异丙醇的体积比为(0.5～2):(0.5～2):(10～40)，优选为(0.8～1.5):(0.8～1.5):(15～30)，最优选为1:1:20。优选所述清洗为冲洗，更优选为异丙醇冲洗，优选所述浸渍为浸泡，更优选为完全浸泡。
在一些实施例中，所述本征量子点层的厚度为所述n型量子点层的1～10倍，优选为2～6倍，更优选为2倍、3倍、4倍、5倍、6倍。
在一些实施例中，所述p型量子点层为p型HgTe量子点层或p型Ag2Te量子点层。且所述p型HgTe量子点层或p型Ag2Te量子点层的具体制备方法如下。
本发明的第二方面是公开一种第一方面所述红外量子点层的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备HgTe量子点墨水；具体制备步骤如下：
(1.1)TOPTe溶液：在惰性环境中将Te颗粒分散至三正辛膦(TOP)中，形成亮黄色溶液；所述亮黄色溶液的浓度优选为1mol/L，所述惰性环境优选为氮气手套箱，所述分散优选为搅拌；
(1.2)热平衡溶液：在惰性环境中取汞盐加入至OAM中，加热至105℃形成透明、淡黄色溶液；所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种，所述加热优选为带磁力搅拌功能的加热板，所述惰性环境优选为氮气手套箱；所述汞盐与OAM的摩尔体积比最优为0.1mmol:4mL。
(1.3)淬火溶液：取TOP、DDT、TCE混匀放入玻璃瓶中，低温保存，所述TOP、DDT、TCE的体积比最优为150uL:150uL:4mL。所述低温保存优选置于冰箱中保存。
(1.4)采用热注射法合成HgTe量子点墨水：在惰性环境中取步骤(1.2)的热平衡溶液热平衡到反应所需的温度，一般为60℃～100℃，迅速加入步骤(1.1)的TOPTe溶液，设置好反应时间，一般反应2min～20min，等待反应，反应结束后，加入(1.3)的淬火溶液用于冷却反应。并从惰性环境中取出，降温，加入异丙醇，进行离心沉淀，将量子点干燥后，溶于氯苯中形成HgTe量子点墨水。优选所述惰性环境为手套箱，优选所述降温为水浴降温，优选所述干燥为氮气枪干燥，优选所述离心沉淀为在离心机中进行。
一般反应温度越高，反应时间越长，量子点越大，吸收波长更长，不同的温度和反应时间控制着量子点的大小，即吸收的截至波长，最终可实现短波范围1～2.5μm，中波范围3～5μm。
(2)取步骤(1)所述HgTe量子点墨水涂覆在衬底表面，再进行固态配体交换、汞盐处理制得n型HgTe量子点层；
(3)取步骤(1)所述HgTe量子点墨水涂覆在步骤(2)所述n型HgTe量子点层表面，之后在汞盐甲醇溶液中处理，再进行固态配体交换，重复1～10次制得本征HgTe量子点层。
(4)在步骤(3)所述本征HgTe量子点层表面复合p型量子点层。
在一些实施例中，所述n型HgTe量子点层的制备方法如下:
(2.1)在蓝宝石基底上物理沉积氧化铟锡制备衬底，所述物理沉积优选磁控溅射，沉积厚度优选30～100nm，最优选50nm。
(2.2)在衬底表面涂覆一层HgTe量子点墨水，之后进行固态配体交换，如完全浸泡在体积比为1:1:20的乙二硫醇、盐酸、异丙醇的混合溶液中，取出后采用异丙醇冲洗；
继续完全浸泡在汞盐的三丁基膦与辛胺的混合溶液中，所述汞盐与所述三丁基膦与辛胺的混合溶液的质量体积百分比为161％，所述三丁基膦与辛胺的体积比为0.1:3；取出后采用异丙醇冲洗，氮气吹干；继续完全浸泡在体积比为1:50的1，6-己二硫醇与异丙醇的混合溶液中；取出后采用异丙醇冲洗，氮气吹干，形成厚度为50～150nm的n型HgTe量子点层，最优选100nm。
所述本征HgTe量子点层的制备方法如下：
(3.1)涂覆HgTe量子点墨水成膜后在10mM的汞盐甲醇溶液中完全浸泡处理，取出采用异丙醇冲洗，氮气吹干；
(3.2)进行固态配体交换，如完全浸泡在体积比为1:1:20的乙二硫醇、盐酸、异丙醇的混合溶液中，取出后采用异丙醇冲洗；
(3.3)重复所述步骤(3.1)与(3.2)3～5次，形成厚度为300～500nm的本征HgTe量子点层，最优选500nm。
本发明的第三方面是公开一种红外探测器件，包括第一方面所述红外量子点层或第二方面所述方法制得的红外量子点层，还包括复合在红外量子点层的顶部及底部的p型量子点层。
在一些实施例中，如说明书附图图1所示，本发明保护的红外探测器件由底电极101、n型量子点层102、本征量子点层103、p型量子点层104及顶电极105组成，所述n型量子点层102、本征量子点层103、p型量子点层104如上所述，所述底电极101的材质为复合在铝衬底上的红外透明导电材料，复合在铝衬底上的ITO、FTO或AZO，本发明优选在蓝宝石的基底上物理沉积ITO，所述物理沉积方式优选为磁控溅射。所述顶电极105为金属导电材料，所述金属导电材料为金、银、铜或铝中任意一种，本发明优选为金。
本发明制得了一种P-I-N结胶体量子点光伏型光电探测器。通过对已经形成的量子点薄膜进行溶液处理和表面修饰，调控n型量子点薄膜和本征型量子点薄膜，用固态配体交换稳定费米能级、除去薄膜表面多余配体，制作而成PIN结光电探测器。PIN结通过将HgTe量子点薄膜调控成n型层，n型层和本征层之间载流子传输之间不存在界面传输、晶格不匹配问题，n型层的厚度优选约为100nm，厚度不宜太厚，n型层厚会产生更大的暗电流，不利于器件的性能，n型层提供了电子传输层，光照入射时，形成的光生载流子变多，增加了光吸收，光电流变大，来源于更强的结，形成了较大的空间电荷区，产生了更多电荷的定向移动。具体如图2所示。
在一些实施例中，所述p型量子点层为p型HgTe量子点层或p型Ag2Te量子点层。
本发明的第四方面是公开一种红外探测器件的制备方法，包括在第一方面所述红外量子点层或第二方面制得的红外量子点层的顶部及底部复合p型量子点层。
在一些实施例中，所述p型HgTe量子点层的制备为将上述步骤(1)制备的HgTe量子点墨水成膜即可得到，其中，所述p型HgTe量子点层的厚度为50～100nm。
在一些实施例中，所述p型Ag2Te量子点层的制备方法：
(5.1)TOPTe溶液：在惰性环境中将Te颗粒分散至三正辛膦(TOP)中，形成透明溶液，快速升温至140～180℃，保温35～45min，直到它变成橙色，所述橙色溶液的浓度优选为0.1mmol/mL，所述惰性环境优选为氮气手套箱，所述分散优选为搅拌；所述升温温度优选为160℃，且加热过程观察到当加热温度超过140℃时，溶液从透明溶液向黄色转变。
(5.2)热平衡溶液：在惰性环境中取银盐加入至OAM和OA中，加热至70℃形成溶液并搅拌均匀，优选搅拌30min；所述银盐优选为硝酸银，所述加热优选为带磁力搅拌功能的加热板，所述惰性环境优选为氮气手套箱；所述银盐与OAM、OA的摩尔体积比最优为0.2mmol:5mL:0.5mL。
(5.3)采用热注射法合成Ag2Te量子点墨水：在惰性环境中取步骤(5.1)的TOPTe溶液注入到步骤(5.2)的热平衡溶液中，溶液立即由橙色变成黑色，反应时间为5～20min，优选10min，冷却并保存在冰箱中，优选零下8℃保存。
(5.4)将步骤(5.3)的p型Ag2Te量子点墨水成膜即可制得p型Ag2Te量子点层。由于Ag2Te部分迁移至本征量子点层中，故本发明不限定p型Ag2Te量子点层的厚度。
本发明的第五方面是公开第一方面所述红外量子点层或第二方面所述方法制得的红外量子点层或第三方面所述红外探测器件或第四方面所述方法制得的红外探测器件在在短波1～2.5μm和/或中波3～5μm中的应用。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本实施例使用的试剂、材料等均为实验室纯度和/或等级，本申请不作详细阐述。
实施例1
本实施例公开了具备图3所示结构的红外探测器件的制备方法，它包括如下步骤：
(1)制备HgTe量子点墨水；具体制备步骤如下：
TOPTe溶液：在惰性环境中将Te颗粒分散至三正辛膦中，形成亮黄色溶液；所述亮黄色溶液的浓度优选为1mol/L，所述惰性环境优选为氮气手套箱，所述分散优选为搅拌；
热平衡溶液：在氮气环境的手套箱中，取27mg(0.1mmol)的HgCl2，并加入4mLOAM，将混合物放在加热板上，放入磁子搅拌，有助于加速溶解，将热板温度调至105℃，在105℃下加热1h，直至形成透明、淡黄色溶液。
淬火溶液：取150uLTOP、150uLDDT、4mLTCE放入玻璃瓶中，并置于冰箱保存。
合成量子点采用热注射法，包括如下短波红外量子点墨水与中波红外量子点墨水；
短波红外量子点墨水：在热平衡溶液清澈后，将温度降至80℃，热平衡半个小时，热平衡结束后采用热注射法快速注入0.1mL的TOPTe溶液，在加入15～30秒后，溶液的颜色变暗并呈现黑色，反应持续4min，4min结束之后加入已经配置好的淬火溶液冷却反应，并从手套箱中取出，水浴降温，加入30mLIPA，放入离心机进行离心沉淀，将量子点用氮气枪干燥后，溶于500uL氯苯中即制得短波红外量子点墨水；
中波红外量子点墨水：在热平衡溶液清澈后，将温度降至100℃，热平衡半个小时，热平衡结束后采用热注射法快速注入0.1mL的TOPTe溶液，在加入5～10秒后，溶液的颜色变暗并呈现黑色，反应持续10min，10min结束之后加入已经配置好的淬火溶液冷却反应，并从手套箱中取出，水浴降温，加入30mLIPA，放入离心机进行离心沉淀，将量子点用氮气枪干燥后，溶于500uL氯苯中即制得中波红外量子点墨水。
(2)在蓝宝石(AL2O3)的基底上磁控溅射上50nm氧化铟锡来作为PV型器件的衬底。
(3)在步骤(2)制备的蓝宝石衬底表面先涂覆一层步骤(1)制备的HgTe量子点墨水，然后置于EdT/HCl/IPA(体积为1:1:20)溶液中10s后，再用IPA进行冲洗，实现量子点薄膜表面的固态配体交换，再置于HgBr2/三丁基膦/辛胺(5mg/100μL/3mL)溶液中处理10s后，用IPA冲掉，氮气吹干，再采用1，6-己二硫醇/IPA(体积比1:50)溶液对薄膜处理10s，用IPA冲掉，氮气吹干，成膜厚度约为100nm。
(4)在步骤(3)制备的薄膜表面继续涂覆一层步骤(1)制备的HgTe量子点墨水，用10mM HgCl2/MeOH溶液进行处理10s，用IPA冲掉，氮气吹干，再置于EdT/HCl/IPA(体积为1:1:20)溶液中10s后，再用IPA进行冲洗，实现量子点薄膜表面的固态配体交换，重复上述步骤3～5次，成膜厚度约为500nm。
(5)制备Ag2Te量子点墨水；具体制备步骤如下：
将硝酸银(34mg，0.2mmol)溶解在油胺(5mL)和油酸(0.5mL)中，在氮气手套箱中以70℃搅拌30min。
将碲颗粒溶解至TOP(0.5mL)，将透明溶液快速加热至160℃。在温度超过140℃时，该溶液开始变黄，并在160℃下保持35～45min，直到它变成橙色的TOPTe。
将TOPTe(0.1mL，0.1mmol)注入反应溶液中。溶液立即由橙色变成黑色，反应时间为10min。然后将反应混合物移除，冷却并保存在冰箱(-8℃)中。
(6)将步骤(5)的Ag2Te量子点墨水旋涂至步骤(4)的膜表面，转速为3000r/s，再用10mM HgCl2/MeOH溶液进行处理10s，再以转速为3000r/s旋涂。此方法为固态阳离子交换法，重复两次。
(7)在顶部蒸镀一层厚度为40nm的金。
将本实施例制备的红外探测器件放入液氮恒温器内，通过用数字源表2602B对器件的性能进行表征，采用600℃的黑体辐射源照射的红外光，得到图5所示的短波室温的i-v曲线，由图5可知，0偏压下，室温的比探测率为6E11。
图6为本实施例制备的红外探测器件的中波室温的i-v曲线，由图6可知，0偏置下，比探测率为2E9，且具有一定的整流特性。
实施例2
本实施例2与上述实施例1不同之处在于将步骤5)替换为HgTe量子点墨水，步骤6)替换为p型HgTe量子点成膜，且膜厚优选为50nm、80nm、100nm；其它均与上述实施例1保持相同。且该探测器的结构示意图如图4所示。
将制得的红外探测器件进行上述实施例1相同的测试，结果显示该红外探测器件的性能与实施例1相当。
对比例1
本对比例1与上述实施例1不同之处在于步骤(3)和步骤(4)概括为如下步骤(3)；
(3)在步骤(2)制备的蓝宝石衬底表面先涂覆一层步骤(1)制备的HgTe量子点墨水，然后置于EdT/HCl/IPA(体积为1:1:20)溶液中10s后，再用IPA进行冲洗，实现量子点薄膜表面的固态配体交换，即制得红外量子点膜。
其它均与上述实施例1保持相同。
本对比例1制备红外探测器件放入液氮恒温器内，通过用数字源表2602B对器件的性能进行表征，采用600℃的黑体辐射源照射的红外光，得到图7所示的中波室温的i-v曲线，结合图7可知，由于不具备n型量子点层，探测器在室温暗电流很大，基本没有光信号，且没有整流特性。结合图6、图7可知，本发明制备的探测器件的中波室温下比探测率为2E9，高于对比例1的探测器件的比探测率(2E8)。
且探测器件的性能如下列表；
表1实施例1与对比例1探测器件性能列表
Figure BDA0003880912860000091
由上述表，可知，本发明制备的探测器比探测率提升了1个数量级，响应度提升了2～3倍。
综上所述，本发明制备的探测器在室温下能够建立较强的内建电场，有利于提高探测器的探测性能，且短波范围1～2.5um，中波范围3～5um内均具备很好应用前景。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种红外量子点层，其特征在于，包括复合一起的p型量子点层、本征量子点层与n型量子点层，所述p型量子点层、本征量子点层与所述n型量子点层形成P-I-N同质结，且所述本征量子点层比所述n型量子点层厚。
2.根据权利要求1所述红外量子点层，其特征在于，所述本征量子点层为本征HgTe量子点层，所述本征HgTe量子点层为HgTe量子点成膜后在汞盐甲醇溶液中处理，再进行固态配体交换，重复1～10次制得，优选2～8次，更优选3～5次；
所述汞盐甲醇溶液浓度为1～10mM，优选为5～10mM，更优选为10mM；
所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种。
3.根据权利要求1所述红外量子点层，其特征在于，所述n型量子点层为n型HgTe量子点层，所述n型HgTe量子点层为HgTe量子点成膜后经固态配体交换、汞盐处理制得；
所述汞盐处理包括浸渍在汞盐的三丁基膦与辛胺的混合溶液中，取出后清洗，继续浸渍在1,6-己二硫醇与异丙醇的混合溶液中；
所述汞盐与所述三丁基膦与辛胺的混合溶液的质量体积百分比为40.3％～645％；所述汞盐为氯化汞、溴化汞中任意一种；
所述1,6-己二硫醇与异丙醇的体积比为(0.5～2):(25～100)。
4.根据权利要求2或3所述红外量子点层，其特征在于，所述固态配体交换包括浸渍在含有乙二硫醇、盐酸、异丙醇的混合溶液中；所述乙二硫醇、盐酸、异丙醇的体积比为(0.5～2):(0.5～2):(10～40)。
5.根据权利要求1所述红外量子点层，其特征在于，所述本征量子点层的厚度为所述n型量子点层的1～10倍，优选为2～6倍。
6.根据权利要求1所述红外量子点层，其特征在于，所述p型量子点层为p型HgTe量子点层或p型Ag2Te量子点层。
7.一种权利要求1～6中任一项所述红外量子点层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备HgTe量子点墨水；
(2)取步骤(1)所述HgTe量子点墨水涂覆在衬底表面，再进行固态配体交换、汞盐处理制得n型HgTe量子点层；
(3)取步骤(1)所述HgTe量子点墨水涂覆在步骤(2)所述n型HgTe量子点层表面，之后在汞盐甲醇溶液中处理，再进行固态配体交换，重复1～10次制得本征HgTe量子点层；
(4)在步骤(3)所述本征HgTe量子点层表面复合p型量子点层。
8.一种红外探测器件，其特征在于，包括权利要求1～6中任一项所述红外量子点层或权利要求7所述方法制得的红外量子点层，还包括底电极与顶电极。
9.一种红外探测器件的制备方法，其特征在于，包括在权利要求1～6中任一项所述红外量子点层或权利要求7所述方法制得的红外量子点层的顶部及底部分别复合顶电极与底电极。
10.一种权利要求1～6中任一项所述红外量子点层或权利要求7所述方法制得的红外量子点层或权利要求8所述红外探测器件或权利要求9所述方法制得的红外探测器件在短波1～2.5μm和/或中波3～5μm中的应用。
CN202211231882.3A 2022-09-30 2022-09-30 红外量子点层、器件及其制备方法与应用 Active CN115588702B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211231882.3A CN115588702B (zh) 2022-09-30 2022-09-30 红外量子点层、器件及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211231882.3A CN115588702B (zh) 2022-09-30 2022-09-30 红外量子点层、器件及其制备方法与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115588702A true CN115588702A (zh) 2023-01-10
CN115588702B CN115588702B (zh) 2023-06-02

Family

ID=84779823

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211231882.3A Active CN115588702B (zh) 2022-09-30 2022-09-30 红外量子点层、器件及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115588702B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160172513A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Vadient Optics, LLC. Composite quantum-dot materials for photonics detectors
CN109935736A (zh) * 2017-12-15 2019-06-25 Tcl集团股份有限公司 量子点薄膜及其制备方法、qled器件及其制备方法
CN110311007A (zh) * 2019-07-09 2019-10-08 上海科技大学 一种量子点近红外光电探测器及其制备方法
CN114220920A (zh) * 2021-12-09 2022-03-22 华中科技大学 一种量子点红外探测器及其制备方法
CN114702948A (zh) * 2022-02-28 2022-07-05 北京理工大学 红外量子点层及其制备方法、红外感光元件及其制备方法
CN114702960A (zh) * 2022-02-28 2022-07-05 北京理工大学 红外量子点层及其制备方法、红外探测器及其制备方法
CN115109467A (zh) * 2022-05-27 2022-09-27 北京理工大学 常温混相配体交换用于调控红外胶体量子点带状输运的方法及应用
CN115295641A (zh) * 2022-05-27 2022-11-04 北京理工大学 短中红外波段通用的硫汞族胶体量子点同质结光伏探测器及其制备方法与应用

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160172513A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 Vadient Optics, LLC. Composite quantum-dot materials for photonics detectors
CN109935736A (zh) * 2017-12-15 2019-06-25 Tcl集团股份有限公司 量子点薄膜及其制备方法、qled器件及其制备方法
CN110311007A (zh) * 2019-07-09 2019-10-08 上海科技大学 一种量子点近红外光电探测器及其制备方法
CN114220920A (zh) * 2021-12-09 2022-03-22 华中科技大学 一种量子点红外探测器及其制备方法
CN114702948A (zh) * 2022-02-28 2022-07-05 北京理工大学 红外量子点层及其制备方法、红外感光元件及其制备方法
CN114702960A (zh) * 2022-02-28 2022-07-05 北京理工大学 红外量子点层及其制备方法、红外探测器及其制备方法
CN115109467A (zh) * 2022-05-27 2022-09-27 北京理工大学 常温混相配体交换用于调控红外胶体量子点带状输运的方法及应用
CN115295641A (zh) * 2022-05-27 2022-11-04 北京理工大学 短中红外波段通用的硫汞族胶体量子点同质结光伏探测器及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
钟和甫;唐利斌;余黎静;左文彬: "量子点合成及其光电功能薄膜研究进展" *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115588702B (zh) 2023-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Basol High‐efficiency electroplated heterojunction solar cell
Zhu et al. Crystallization, Properties, and Challenges of Low‐Bandgap Sn–Pb Binary Perovskites
CN102804392A (zh) 半导体光学检测器结构
CN108376741B (zh) 一种具有能带梯度的钙钛矿可见光探测器及其制备方法
CN110335945B (zh) 一种双电子传输层无机钙钛矿太阳能电池及其制法和应用
CN109841703B (zh) 一种全无机钙钛矿光电探测器及其制备方法
CN105720197A (zh) 一种自驱动宽光谱响应硅基杂化异质结光电传感器及其制备方法
CN110854273A (zh) 一种有机体异质结掺杂的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN104638036B (zh) 高光响应近红外光电探测器
CN111525036B (zh) 一种自驱动钙钛矿光电探测器及其制备方法
US11557689B2 (en) Integrated tandem solar cell and manufacturing method thereof
CN113314672A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN108511606B (zh) 一种高短路电流、高转化效率的钙钛矿太阳能电池制备方法及产品
CN114335348B (zh) 一种pn异质结硒化锑/钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN109360892B (zh) 一种宽光谱探测器件及其制备方法
CN109671848B (zh) CuPbSbS3新型薄膜太阳能电池及其制备方法
CN108649120A (zh) 一种具有陷光结构的钙钛矿光电探测器及制作方法
CN109698113A (zh) 氧化锌薄膜及其制备方法、发光器件
CN111540791A (zh) 太阳电池及其制作方法
CN115588702B (zh) 红外量子点层、器件及其制备方法与应用
CN109888097A (zh) 一种钙钛矿薄膜的制备方法及以此为基础制备的太阳能电池
TWI732704B (zh) 鈣鈦礦金屬-半導體-金屬型光電探測器及其製法
CN115548218A (zh) 红外量子点层、光导型红外探测器及其制备方法与应用
Compaan The status of and challenges in CdTe thin-film solar-cell technology
Lin et al. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells via low-pressure proximity evaporation technique

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant