CN115623840A

CN115623840A - 超晶格宽光谱探测器

Info

Publication number: CN115623840A
Application number: CN202211150038.8A
Authority: CN
Inventors: 陈振浚; 刘霄; 王创垒; 郭钰东
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2022-09-21
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2023-01-17

Abstract

本发明公开一种超晶格宽光谱探测器，该探测器自下而上包括：衬底；光敏层，其包括设置在所述衬底上的二维材料及其上方的PbS量子点与钙钛矿量子点组装而成的超晶格；金属电极层，包括源电极和漏电极，所述源电极和所述漏电极形成沟道；绝缘层。所述源电极和所述漏电极被配置为使电流能够通过所述光敏层，所述超晶格被配置为在暴露于入射电磁辐射时产生电子‑空穴对以产生可检测的变化电流。所述绝缘层被配置为隔绝空气中的氧气以保护光敏层不被氧化。本发明可以拓宽器件的光响应波段，提高其电学性能，增强电荷转移，响应速度更快。

Description

超晶格宽光谱探测器

技术领域

本发明是一种宽光谱探测器器件，具体涉及一种超晶格宽光谱探测器，尤其是半导体器件制造和光学系统。

背景技术

在过去十年中，胶体量子点展现出将光电探测器向低成本、高灵敏度检测器发展的潜力。在超晶格中，每个胶体量子点既保持自身固有的因量子尺寸效应等表现出独特的光、点、磁等性质，同时相邻的量子点通过长程电子耦合作用而表现出单个量子点所不具备的集体协同效应。量子点层是由各向异性的半导体纳米晶体组成并且是随机排列的，因此是电学无序的，也是区别于常规光电探测器的半导体单晶层之电学有序性。这两方面的问题的克服是基于半导体纳米晶体的复合光电探测器的稳定性研究之前提，因为它们导致两种载流子类型的载流子迁移率都相对较低，继而阻碍了光生载流子的收集并限制了其性能指标，如EQE，线性动态范围和响应时间。低载流子迁移率还将结厚度限制在典型值<200nm，这意味着较高的漏电流，因此产生暗噪声，并限制了可在这些薄膜中吸收的光量。另外，这两方面的问题也阻碍了复合光电探测器的吸收层和传输层的合理设计和优化。

在近几年的研究发展中，与各向异性且随机排列的量子点在光电中的应用不同的是，硫属化合物超晶格内部量子点取向性连接，提高电子耦合能力进而提高器件的性能。Konstantatos课题组首次构件石墨烯-PbS量子点复合光电探测器，其采用剥离法备出单层和双层石墨烯，并将其转移到硅片上，采用制备PbS量子点太阳能电池的标准工艺，将PbS量子点薄膜旋涂在附有石墨烯的硅衬底上，制备出复合光电探测器的光响应度高达～107AW^-1。量子点层中强而可调的光吸收会产生转移到石墨烯的电荷，由于石墨烯的高电荷迁移率和量子点层中长时间的电荷捕获寿命，电荷捕获-传递多次循环，该器件的比探测率为7×10¹³Jones(Konstantatos,G at el.Hybrid graphene-quantum dot phototransistorswith ultrahigh gain,Nat.Nanotechno.2012,7,363-368)。2017年Zhao等人研究了二维超晶格配体效应在电学和光电学特性，并且使用硫氰酸铵处理的超晶格由于高载流子密度而在473nm高功率强度辐射下具有0.19cm² V^-1s^-1的迁移率和0.37A W^-1的响应度(Men Zhaoet al.Ligand effects on electronic and optoelectronic properties of two-dimensional PbS necking percolative superlattices,Nano Res.2017,10(4):1249–1257)。通过文献可知，二维材料与超晶格复合的探测器可以实现暗电流低、响应度高、探测率高等优点，因此二维材料与超晶格结合有望促进超晶格材料的发展。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种超晶格宽光谱探测器。所述探测器自下而上依次包括：衬底；金属电极层，包括源电极和漏电极，所述源电极和所述漏电极形成沟道。所述源电极和所述漏电极被配置为使电流能够通过所述光敏层，所述超晶格被配置为在暴露于入射电磁辐射时产生电子-空穴对以产生可检测的变化电流；光敏层，其包括设置在所述衬底上的二维材料及其上方的PbS量子点与钙钛矿量子点组装而成的超晶格；绝缘层，其包括绝缘材料h-BN。

半导体纳米晶体是各向异性的且随机排列的，即使在光学上有响应，但是在电学上是无序的。这导致两种载流子类型的迁移率都相对较低，继而阻碍了光生载流子的收集并限制了其性能指标，如外量子效率，线性动态范围和响应时间。

为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是二维材料与超晶格光敏层。超晶格是晶体级有序、内部量子点周期性排列的超结构材料。量子点在其超晶格中取向性附着且部分量子点发生晶面融合，使超晶格展示出准二维材料的特性。超晶格宽光谱探测器在电磁辐射激发下产生电子-空穴对，进而产生可检测的变化电流。相比于无序的量子点堆积的薄膜，超晶格在探测器的中的优势在于：第一方面，量子点形成超晶格结构，提高量子点的有序性程度；第二方面，量子点形成的超晶格结构，形成离域的电子-空穴，有利于空穴传递；第三方面，超晶格结构更加稳定，便于进一步对其表面的配置进行处理。

在一个优选实施例中，所述衬底是CMOS晶片，其包括用于偏置或放大来自所述的探测器的信号的电路。

在一个优选实施例中，所述超晶格的上方设置一层绝缘材料，所述绝缘材料为h-BN。

在一个优选实施例中，所述超晶格由胶体量子点组装生长完成后转印在所述二维材料的上方。

在一个优选实施例中，所述胶体量子点是N型半导体或者P型半导体。

在一个优选实施例中，所述胶体量子点是N型掺杂半导体或者P型掺杂半导体。

在一个优选实施例中，所述超晶格中的胶体量子点之间至少部分晶面融合。

在一个优选实施例中，所述衬底的表面包括SiO₂、Al₂O₃、ZnO、GaN和SiC中的至少一种。

在一个优选实施例中，所述的二维材料包括石墨烯、MoS₂、MoSe₂、WS₂、WSe₂或黒磷。

附图说明

本发明及其优点将通过研究以非限制性实施例的方式给出，并通过所附附图所示的特定实施方式的详细描述而更好的理解，其中：

图1是本发明实施例的超晶格宽光谱探测器的结构示图。

图2是本发明实施例的超晶格宽光谱探测器的工作原理示图。

图3是本发明实施例的超晶格透射电镜图。

具体实施方式

请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的环境中来举例说明。以下的说明是基于所示例的本发明的具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。

本说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证。此外，本说明书和所附权利要求中所使用的冠词“一”一般地可以被解释为意指“一个或多个”，除非另外指定或从上下文清楚导向单数形式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

实施例1

首先，通过图1-3，就本发明的实施例的二维材料和PbS量子点与钙钛矿量子点组装而成的超晶格复合的宽光谱探测器进行说明。如图1所示，本实施例采用的一个技术方案是提供二维材料和内部量子点有序的超晶格光敏层。

所述探测器自下而上依次包括：衬底101；金属电极层，包括源电极102和漏电极103，所述源电极102和所述漏电极103形成沟道；光敏层104，其包括设置在所述衬底上的二维材料1041及其上方的PbS量子点与钙钛矿量子点组装而成的超晶格1042；绝缘层105。所述源电极102和所述漏电极103被配置为使电流能够通过所述光敏层104，所述超晶格1042被配置为在暴露于入射电磁辐射时产生电子-空穴对以产生可检测的变化电流。

超晶格是晶体级有序、内部量子点周期性排列的超结构材料。本实施例使用的是PbS量子点，如图3所示，PbS量子点在其超晶格1041中取向性附着且部分量子点发生晶面融合，使超晶格1042展示出准二维材料的特性。超晶格宽光谱探测器在电磁辐射激发下产生电子-空穴对，进而产生可检测的变化电流。相比于无序的量子点堆积的薄膜，超晶格1042在探测器的中的优势在于：第一方面，量子点形成超晶格结构，提高量子点的有序性程度；第二方面，量子点形成的超晶格结构，形成离域的电子-空穴，有利于空穴传递；第三方面，超晶格结构更加稳定，便于进一步对其表面的配置进行处理。

所述衬底是CMOS晶片，其包括用于偏置或放大来自所述探测器的信号的电路。

本实施例提供的超晶格宽光谱探测器，其包括如下步骤：

S1、超晶格制备

取一定量的PbS量子点与钙钛矿量子点混合的溶液滴在乙二醇表面，通过溶剂挥发法制备超晶格，其包括以下步骤：

S11、配置1mg/mL～10mg/mL PbS量子溶液；

S12、取20～30μL的PbS量子点溶液滴在装有乙二醇的培养皿底的乙二醇表面，迅速用培养皿盖盖住；

优选地，所述S12中的乙二醇溶液可以加入适量的油酸溶液。

S13、将所述S12的培养皿静置15～20分钟。

S2、超晶格宽光谱探测器的器件制备

预先在所述S21的硅片上镀Ti/Au电极，然后将二维材料转移到电极上，将超晶格转移到二维材料上，再浸泡在短链配体溶液中进行配体交换，最后放置在80℃干燥箱中完成器件制备，具体包括以下步骤：

S21、将硅片切割成1cm x 1cm大小，再依次用丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水超声清洗5分钟，然后使用氮气枪吹干硅片；

S22、将所述S21的硅片镀Ti/Au电极：旋涂光刻胶，再100℃加热4分钟烘胶，然后烘胶结束的硅片进行光刻沟道为3～10μm的电极、显影、镀Ti/Au电极，所述的镀金电极浸泡丙酮去除多余的金；

优选地，所述S21的硅片所镀电极为Ti/Au、Cr/Au或者Au，所述Cr或Ti，其厚度为3～10nm，所述Au为20～100nm。

S23、在所述S21的硅片上通过机械剥离法获得二维材料WS₂纳米薄片，浸泡丙酮去除样品表面胶带残胶；

S24、将超晶格转印到所述S23中的二维材料上；

S25、将所述S24的硅片浸泡在短链配体中进行配体交换；

优选地，所述短链配体包括四丁基碘化铵TBAI、巯基丙酸MPA、硫氰酸铵SCN、乙二硫醇EDT、乙二胺EDA和乙二酸OXA中的至少一种。

S26、将所述S25的硅片放置80℃干燥箱中1～2分钟；

S27、重复S1、S24、S25和S26步骤n次，其中n为1，2，3，4；

S28、将所述S26的硅片镀有电极处的沟道转印上一层h-BN材料。

采用上述方法制成的超晶格宽光谱探测器。从下至上包括高掺杂硅衬底101、氧化硅介质层、Ti/Au源电极102和漏电极103、WS₂二维材料1041和超晶格1042、h-BN绝缘材料105。

本探测器的工作原理是：源电极102和漏电极103与WS₂二维材料1041直接接触与超晶格1042没有接触，在针对源电极102和漏电极103施加电压后，器件开始导通工作；WS₂二维材料与超晶格直接接触，WS₂层为二维电子传输层，超晶格为宽光谱光敏层，且两者因电子浓度梯度发生电子扩散，形成内建电场；在波长小于1550nm的电磁辐射条件下，超晶格1042产生光生电子-空穴对经内建电场作用而分离，形成可以被检测到的变化电流。

虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种超晶格宽光谱探测器，其特征在于，所述探测器自下而上依次包括：

衬底；

金属电极层，包括源电极和漏电极，所述源电极和所述漏电极形成沟道；

光敏层，其包括设置在衬底上的二维材料及其上方的PbS量子点与钙钛矿量子点组装而成的超晶格；

绝缘层；

其中，所述源电极和所述漏电极被配置为使电流能够通过所述光敏层，所述超晶格被配置为在暴露于入射电磁辐射时产生电子-空穴对以产生可检测的变化电流。

2.根据权利要求1所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述衬底是CMOS晶片，其包括用于偏置或放大来自所述探测器的信号的电路。

3.根据权利要求1所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述超晶格的上方设置一层绝缘材料，所述绝缘材料为h-BN。

4.根据权利要求1所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述探测器是像素化阵列。

5.根据权利要求1所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述超晶格由胶体量子点组装生长完成后转印在所述二维材料的上方。

6.根据权利要求5所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述胶体量子点是N型半导体或者P型半导体。

7.根据权利要求5所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述超晶格中的胶体量子点之间至少部分晶面融合。

8.根据权利要求7所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述超晶格中的胶体量子点表面配体至少部分被替换为短链配体。

9.根据权利要求1所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述衬底的表面包括SiO₂、Al₂O₃、ZnO、GaN和SiC中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的超晶格宽光谱探测器，其特征在于：所述的二维材料包括石墨烯、MoS2、MoSe₂、WS₂、WSe₂或黒磷。