一种基于硫化铅量子点的近红外光电探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电器件技术领域，尤其涉及一种基于硫化铅量子点的近红外光电晶体管及其制备方法。

背景技术

红外线中的光检测对于在自动化、军工、医疗卫生、环境污染监测、通信等方面的应用至关重要。然而，由于商业红外探测器的外延生长方法和与CMOS技术复杂的非单片集成，成本昂贵。此外，冷却后性能得到优化，增加了集成、功耗和小型化的复杂性。随着各领域对近红外光检测的要求，开发高质量，低成本的近红外光电探测器是近年来的研究热点。胶体量子点(CQDs)为传统的散装、外延生长的材料提供了一种有吸引力的低成本方法。硫化铅量子点在近红外区优异的光吸收性能，玻尔半径约为18nm，禁带宽度小，0.4～2.0v连续可调，它可以通过溶液处理技术进行大量的合成和加工，尺寸分布可控，在近红外检测领域引起了广泛的研究兴趣。这使得这些光电探测器可以很容易地与互补的金属氧化物半导体平台以及柔性基片集成。此外，溶液处理PbS CQD光导光电探测器在室温下的探测率达到了1.81013Jons，超过了外外化生长的InGaAs光电探测器。

近十年来，金属氧化物半导体因其在薄膜晶体管领域的应用而备受关注。氧化物TFT的迁移率可以高于非晶硅器件，甚至达到多晶硅的水平，这使得氧化物薄膜晶体管在有源矩阵有机发光二极管显示器、光电探测器和生物传感器等领域具有广阔的应用前景。此外，由于金属氧化物半导体的高透明性，它们也可以应用于透明电子器件。在金属氧化物半导体中，宽禁带氧化锌(ZnO)(3.37V)由于其高电子迁移率、光学透明性和低成本而引起了许多研究人员的注意。近年来，采用多种工艺制备的氧化锌薄膜晶体管取得了显著的进步，如原子层沉积和射频磁控溅射。然而，这些技术需要高真空系统，这限制了它们在低成本和大面积电子产品中的应用。解决这一问题的另一种方法是开发低温和溶液可加工的氧化锌薄膜晶体管。

将硫化铅量子点和氧化锌复合，结合硫化铅量子点优异的光吸收性能和ZnO高的载流子迁移率来提高器件性能，通过施加栅极电压来诱导栅极效应来增强和调制光电晶体管的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硫化铅量子点的近红外光电晶体管及其制备方法，光电晶体管在近红外波段具有优异的响应及探测。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于量子点的近红外光电晶体管，其结构包括硅片基底，在硅片基底表面的氧化锌层，在氧化锌层表面的电极对所形成的氧化锌-电极层，覆盖在氧化锌-电极层表面的硫化铅量子点层，所述电极对为平行设置的电极对。

优选的，所述硅片基底包括硅和设置在硅表面的二氧化硅层，所述硅的厚度为160-260μm，所述二氧化硅层的厚度为260-360nm；

优选的，所述的氧化锌层由氧化锌溶液旋涂形成，更优选的采用脉冲激光沉积(PLD)技术得到氧化锌层，氧化锌层设置在二氧化硅层的上表面；

优选的，所述电极对的间距为0.08-2.5mm；

优选的，所述硫化铅量子点层的厚度为20-70nm；所述硫化铅量子点层由硫化铅量子点旋涂形成；所述硫化铅量子点的配体为油酸，更优化的采用TBAI作为硫化铅量子点的配体；所述硫化铅量子点的粒径为5-20nm。

本发明提供了上述技术方案所述近红外光电晶体管的制备方法，包括以下步骤：

将氧化锌粉末溶解于氨水中，配制氧化锌-氨水溶液，在单晶硅基底的上表面涂覆氧化锌-氨水溶液，经退火处理，形成氧化锌层；

在所述的氧化锌层的上表面的两端蒸镀电极材料，形成氧化锌-电极层；

在所述的氧化锌-电极层的上表面旋涂硫化铅量子点溶液，经退火后形成硫化铅量子点层；得到光电晶体管。

优选的，氧化锌-氨水浓度为5-10mg/mL，退火的温度为280-350℃，退火时间为30-50min。

优选的，硫化铅量子点的退火温度为70-120℃，退火时间为20-40min。

优选的，所述蒸镀为真空蒸镀；所述电极材料为金属铝。

本发明提供了一种基于硫化铅量子点的近红外光电晶体管，其结构包括包ZnO薄膜作为导电沟道材料、覆盖在ZnO-电极层表面的PbS量子点作为吸光层。

本发明将油酸作为配体的硫化铅量子点和氧化锌结合起来，利用氧化锌优良的开关比和高的迁移率，硫化铅量子点近红外光灵敏的响应特性，制备得到了具有高响应率的近红外光电晶体管，可广泛应用于光电探测领域。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的近红外光电晶体管的器件结构图；

图2为本发明实施例1制备的硫化铅量子点的XRD图；

图3为本发明实施例1制备的硫化铅量子点的TEM图

图4为本发明实施例1制备的硫化铅量子点的吸收光谱图；

图5为本发明实施例1制备的近红外光电晶体管在1550nm光源下的转移曲线；

图6为本发明实施例1制备的近红外光电晶体管在1550nm光源下的时间-电流曲线；

具体实施方式

一种基于量子点的近红外光电晶体管，其结构包括包ZnO薄膜作为导电沟道材料、覆盖在ZnO-电极层表面的PbS量子点作为吸光层。

在本发明中，所述单晶硅基底包括衬底和设置在所述衬底表面的二氧化硅层，所述二氧化硅层与所述ZnO层相接；所述单晶硅基底的厚度为180-220μm，所述二氧化硅层的厚度为280-320nm。

在本发明中，所述氧化锌层采用溶液旋涂的方法获得，配制氧化锌-氨水溶液，浓度为5-10mg/ml，旋涂于硅片基底的上表面，后进行退火形成氧化锌层；更优选的采用脉冲激光沉积(PLD)技术得到氧化锌层，所述的退火温度为280-350℃，退火时间为20-40min。

在本发明中，所述电极对平行设置于氧化锌层表面的两端，形成氧化锌-电极层；所述平行电极对的平行间距优选为0.08-2.5mm。在本发明的具体实施例中，所述电极对的材质优选为金属铝。

在本发明中，所述硫化铅量子点层的厚度为20-70nm；所述硫化铅量子点层由硫化铅量子点形成；所述硫化铅量子点的配体为油酸，更优化的采用碘化铵或TBAI作为硫化铅量子点的配体；所述硫化铅量子点的粒径为5-20nm。

本发明提供了上述技术方案所述的近红外光电晶体管的制备方法，包括以下步骤：

将氧化锌粉末溶解于氨水中，配制氧化锌-氨水溶液，将氧化锌-氨水溶液旋涂于硅片基底的上表面，经退火后形成氧化锌层，更优选的采用脉冲激光沉积(PLD)技术得到氧化锌层；

在所述的氧化锌层的上表面的两端蒸镀电极材料，形成氧化锌-电极层；

在所述的氧化锌-电极层的上表面旋涂硫化铅量子点溶液，经100℃退火30min，形成硫化铅量子点层；得到光电晶体管。

本发明中，采用溶液旋涂的方法获得氧化锌层。配制氧化锌-氨水溶液，浓度为5-10mg/mL，旋涂于硅片基底的上表面，后进行退火形成氧化锌层；更优选的采用脉冲激光沉积(PLD)技术得到氧化锌层，所述的退火温度为280-350℃，退火时间为30-50min。本发明采用的氧化锌粉末为市售氧化锌粉末。

本发明优选在进行氧化锌层旋涂前对硅片基底进行洗涤。在本发明的实施例中，所述洗涤所采用的洗涤液优选为丙酮、异丙醇和去离子水。本发明优选依次采用丙酮和异丙醇各洗涤1-3次，然后用去离子水洗涤1-3次。

本发明中，在氧化锌层的上表面的两端蒸镀电极材料，形成相对设置的平行电极对。在本发明中，所述蒸镀优选为真空蒸镀。

在形成氧化锌-电极层后，本发明在氧化锌-电极层的上表面旋涂硫化铅量子点溶液，经100℃退火30min，形成硫化铅量子点层。在本发明中，所述硫化铅量子点溶液中溶剂优选为甲苯、辛烷或四氯乙烯。在本发明中硫化铅量子点的配体为油酸，更优化的采用TBAI作为硫化铅量子点的配体。在本发明中，所述旋涂优选在通风橱下进行。

本发明对所述硫化铅量子点溶液中硫化铅量子点的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售硫化铅量子点或按照本领域技术人员熟知的硫化铅量子点的制备方法制备均可。本发明对所述提纯和清洗的过程没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可。

下面结合实施例对本发明提供的近红外光电晶体管进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本发明采用希莱克系统，通过热注入法合成硫化铅量子点。

量子点的合成：取0.231g氧化铅(PbO)1.5mL的油酸(OA)和18mL的十八烯(OD)加入带有磁力搅拌的50mL的三颈瓶中，向瓶中通入氮气以除去瓶内空气。连接真空泵进行抽气3分钟，后充入氮气3分钟，循环3次。在抽气状态下将溶液加热到100℃下保温1小时，后在充入氮气状态下将溶液加热到120℃下保温30分钟，取30微升六甲基二硅硫烷((TMS)2S)溶于1.5ml甲苯中，超声30min后，用注射器快速注入三颈烧瓶中，反应3-20min，不同生长时间会得到不同的尺寸的量子点。最后将三颈烧瓶浸入冰水浴中以彻底淬灭生长，收集三颈烧瓶中的量子点溶液。

量子点的提纯：所得量子点溶液加入等体积的正己烷后，离心机进行8千转/分钟，5分钟的离心。去除上清后重复离心操作。用3mL甲苯分散上一步经离心后粘附在离心管壁上的量子点。得到硫化铅量子点溶液，硫化铅量子的配体为油酸。

将氧化锌粉未溶解于氨水中，配制8mg/mL的氧化锌-氨水溶液，将氧化锌-氨水溶液旋涂于清洗硅片基底的上表面，在手套箱中经300℃，30min退火后形成氧化锌层；

将氧化锌层的上表面粘贴于掩模版上，进行真空蒸镀铝电极，形成氧化锌-电极层；

将所述硫化铅量子点溶液旋涂在氧化锌-电极层；经100℃退火30min，得到近红外光电探测器。

本实施例制备得到的近红外光电晶体管的器件结构图如图1所示，其结构包括硅片基底，在硅片基底表面的氧化锌层，在氧化锌层表面的电极对所形成的氧化锌-电极层，覆盖在氧化锌-电极层表面的硫化铅量子点层，所述电极对为平行设置的电极对，所述电极对设置于氧化锌层表面的两端。

本实施例制备得到的硫化铅量子点的XRD图如图2所示。

本实施例制备得到的硫化铅量子点的XRD图如图3所示。

本实施例制备得到的硫化铅量子点的吸收光谱图如图4所示。

本实施例制备得到的可见-近红外光电探测器在1550nm光源下，沟道电压为30V时的转移曲线如图5所示。

本实施例制备得到的可见-近红外光电探测器在1550nm光源下的时间-电流曲线如图6所示。

由以上实施例可知，本发明提供了一种基于量子点的近红外光电晶体管，将配体为油酸的硫化铅量子点和氧化锌结合起来，利用氧化锌优良的开关比和高的迁移率，硫化铅量子点近红外光灵敏的响应特性，制备得到了具有高响应率的近红外光电晶体管，可广泛应用于光电探测领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。