一种量子点光电探测器以及制备方法

技术领域

本申请涉及一种量子点光电探测器以及制备方法，属于光电探测技术领域。

背景技术

光电探测器是一种可以捕获特定波长范围的光信号，并把它们立即转换成电信号的设备。

光电面阵探测器的结构是由CMOS电路、光敏层和顶部电极堆叠而成。当光入射到光电探测器表面时，光敏层吸收光子的能量，产生光生电荷，在两端电极加的外加电场的作用下被收集到两端电极，形成电信号。

目前，很多面阵探测器为了使每个分立的像素点能够独立的导出一个电信号，由于光敏层材料电荷迁移率高，因此需要将顶部透明电极刻蚀成与像素点对应大小的网格化的形状，从而实现各像素信号的分别导出。但是，这种方案会引入额外的走线以及加工工艺，给器件制备、测试带来了极大的不便；同时，水氧能通过网格化电极的边缘渗入，影响光敏层材料的性质，给器件的稳定性带来了挑战。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种量子点光电探测器，该量子点光电探测器利用量子点本身电荷迁移率低的特点，在光电探测器上采用整面覆盖的透明导电电极作为顶电极，而不用像传统探测器那样将顶电极切割开来，从而避免了额外的走线，以及对水氧的隔绝。

一种量子点光电探测器，所述量子点光电探测器包括基底、量子点层和顶电极层；

所述量子点层位于所述基底的上方；

所述顶电极层位于所述量子点层的上方；

所述顶电极层为整面化的形状。

本申请中，利用量子点本身迁移率低的特点，在光电探测器上采用整面覆盖的透明导电电极作为顶电极，而不用像传统探测器那样将顶电极切割开来。

相比与市场上常规光电探测器的光敏层材料，胶体量子点具有制备原料便宜，工艺简单，而且其良好的光电特性，如高的吸光系数，禁带宽度可调等，这些都为胶体量子点材料在光电领域快速应用和发展提供了基础。

具体地，本申请中的量子点层形成了图案化的像素点。

可选地，所述基底选自硅片、CMOS电路底板、氧化铟锡基底中的任一种。

可选地，所述量子点层包括量子点；

所述量子点选自PbS、PbSe、HgTe中的任一种。

可选地，所述顶电极层选自ITO电极层、AZO电极层中的任一种。

可选地，所述量子点光电探测器还包括电荷传输层；所述电荷传输层位于量子点层和顶电极层之间；或者，所述电荷传输层位于基底和量子点层之间。

可选地，所述电荷传输层选自ZnO层、SnO层中的任一种。

可选地，所述量子点光电探测器由下至上依次包括基底、量子点层、顶电极层。

可选地，所述量子点光电探测器由下至上依次包括基底、量子点层、电荷传输层、顶电极层。

可选地，所述量子点光电探测器由下至上依次包括基底、电荷传输层、量子点层、顶电极层。

具体地，量子点层的厚度为250～350nm。

优选地，量子点层的厚度为280～320nm。

根据本申请的第二方面，还提供了一种上述任一项所述量子点光电探测器的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

a)获得量子点；

b)将所述量子点配制为量子点浆料；

c)将所述量子点浆料直接或间接旋涂在基底上，得到量子点层；

d)将顶电极层直接或间接附着在所述量子点层上，得到顶电极层。

可选地，所述步骤b)包括：

b-1)将量子点与物料a在有机溶剂Ⅰ中混合，得到配体溶液；

所述物料a为PbI

b-2)向所述配体溶液中加入乙酸乙酯或甲苯，反应，离心，得到固态粉末；

b-3)将所述固态粉末加入有机溶剂Ⅱ中混合，得到所述量子点浆料。

具体地，步骤b-1)中，量子点、PbI

具体地，步骤b-1)中，量子点、PbI

步骤b-1)中，有机溶剂Ⅰ选自N，N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷中的任一种；

步骤b-3)中，有机溶剂Ⅱ为含有N，N-二甲基甲酰胺和正丁胺的混合溶液；所述N，N-二甲基甲酰胺和正丁胺的体积比为1:2～6。

具体地，N，N-二甲基甲酰胺和正丁胺的体积比的上限为1:3、1:4、1:6；N，N-二甲基甲酰胺和正丁胺的体积比的下限为1:2、1:3、1:4。

可选地，步骤c)中，所述将所述量子点浆料间接旋涂在基底上，包括：

将电荷传输层直接附着在所述基底上，之后将所述量子点浆料旋涂在所述电荷传输层上。

可选地，步骤d)中，所述将顶电极层间接附着在所述量子点层上，包括：

将电荷传输层直接附着在所述量子点层上，之后将所述顶电极层附着在电荷传输层上。

可选地，所述制备方法包括方法一、方法二或者方法三中的任一种；

方法一：

1-1)将量子点浆料直接旋涂在基底上，得到附着有量子点层的基底；

1-2)之后顶电极层直接附着在所述量子点层上，得到所述量子点光电探测器；

方法二：

2-1)将量子点浆料直接旋涂在基底上，得到附着有量子点层的基底；

2-2)将电荷传输层直接附着在所述量子点层上；

2-3)将顶电极层直接附着在所述电荷传输层上，得到所述量子点光电探测器；

方法三：

3-1)将电荷传输层直接附着在基底上；

3-2)将量子点浆料直接旋涂在所述电荷传输层上，得到量子点层；

3-3)将顶电极层直接附着在所述量子点层上，得到所述量子点光电探测器。

可选地，在步骤c)中，将所述量子点浆料直接或间接旋涂在基底上以后，在60～90℃的条件下退火8～12min，即可得到所述量子点层。

具体地，退火温度的上限选自70℃、80℃、90℃；退火温度的下限选自60℃、70℃、80℃。

具体地，退火时间的上限选自10min、12min；退火温度的下限选自8min、10min。

可选地，电荷传输层以磁控溅射或者原子层沉积的方式，附着在基底或者量子点层上。

电荷传输层的磁控溅射工艺参数为：舱室抽真空至2e-3～4e-3Pa，通氩气至舱室压强为0.3～1.0Pa，设置气流量为80～120sccm，直流溅射电源加电80～120w，溅射50～60min，得到整面的电荷传输层。

可选地，将顶电极层以磁控溅射或者原子层沉积的方式，附着在所述量子点层上或者电荷传输层上。

顶电极层的磁控溅射工艺参数为：舱室抽真空至2e-3～4e-3Pa，通氩气至舱室压强为0.3～1.0Pa，设置气流量为20～40sccm，直流溅射电源加电80～120w，溅射15～25min，得到整面的顶电极层。

本发明的目的在于提供一种无需刻蚀的整面顶电极量子点光电探测器及其制备方法，其特点在于利用其顶电极是整面覆盖光电探测器的，能够同时实现导电与阻隔水氧的作用，与现有技术相比，具有整面顶电极的光电探测器能够具有更高的空气稳定性，同时有助于降低器件的制备成本。

本发明提供的整面顶电极量子点光电探测器的制备与传统的光电探测器类似，先制备能够吸光的量子点光敏层，然后再在量子点层表面经磁控溅射生长一层电荷传输层(例如SnO层)薄膜，再在上面经磁控溅射生长一层ITO导电薄膜。为了实现更好的器件稳定性，同时实现省去顶电极的刻蚀工艺，本发明提供了一种新的思路实现光电探测器的电极结构制备，即利用整面ITO薄膜来覆盖探测器顶部所有区域，对器件形成一定的封装保护，从而有效的提高了光电探测器的稳定性，同时减少了器件顶部的走线。

本申请中，“ITO”，是指氧化铟锡。

“AZO”是指含有铝的氧化锌。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请中的顶电极层为整面化的形状，是相对现有技术中顶部电极网格化的形状而言的，即本申请中的顶电极层为整面电极薄面，没有刻蚀成彼此孤立的网格状，整面电极薄面覆盖了探测器顶部所有区域。

本申请提供的量子点光电探测器，利用量子点层形成分立的像素点，可以独立的导出电信号。

2)本申请所提供的基于量子点材料制备的光电探测器，在使用量子点材料的基础上(利用量子点本身迁移率低的特点)，可以直接采用整面顶电极来制备，在保证了稳定性的同时还避免了光刻顶电极的复杂工艺。

3)本申请所提供的量子点光电探测器，顶部透明导电材料既可以导出电荷，又可以形成一定的水氧阻隔效果。

附图说明

图1为本申请实施例1量子点光电探测器中的像素点的示意图；

图2为本申请实施例1量子点光电探测器中在像素点上覆盖ZnO电荷传输层的示意图；

图3为本申请实施例1量子点光电探测器中在ZnO电荷传输层上覆盖ITO导电薄膜层的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“上方”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买。

本申请实施例中的PbS量子点采用专利号ZL201611050553.3“一种PbS量子点的制备方法”中的方法获得。

实施例1

该实施中量子点光电探测器的制备方法，其具体制备步骤如下：

a-1、称取PbS量子点以及固态样品PbI

a-3、将上述得到的粉末再加入DMF：正丁胺＝1：3的混合溶液500uL，进行充分溶解，得到量子点浆料。

a-4、将上述量子点浆料过滤三次后，在干净的CMOS读出电路基底上进行整面旋涂，设置转速为3000r时间60s，随后在90℃热台上退火10min即可得到厚度为300nm左右的图案化PbS薄膜，如图1所示，中间网格区域为量子点所形成的像素区。

b-1、将制备好的硫化铅量子点薄膜固定于磁控溅射仪器的基盘上，采用ZnO的靶材，给舱室抽真空至3e-3Pa。

b-2、通氩气至舱室压强为3Pa,设置气流量为100sccm，射频溅射电源加电100W，溅射55分钟，得到整面ZnO薄膜作为功能层(即电荷传输层)，如图2所示，整面ZnO薄膜覆盖了中间的像素区域。

b-3、将步骤b-2中制备好附着有ZnO功能层的硫化铅量子点薄膜固定于磁控溅射仪器的基盘上，采用ITO的靶材，给舱室抽真空至3e-3Pa。

b-4、通氩气至舱室压强为0.5Pa,设置气流量为30sccm，直流溅射电源加电100W，溅射20分钟，在ZnO功能层上得到整面的ITO导电薄膜，如图3所示，ITO导电薄膜覆盖在ZnO薄膜上。

实施例2

该实施中量子点光电探测器的制备方法，其具体制备步骤如下：

a-1、将Si片基底固定于磁控溅射仪器的基盘上，采用ZnO的靶材，给舱室抽真空至3e-3Pa。

a-2、通氩气至舱室压强为3Pa,设置气流量为100sccm，射频溅射电源加电100W，溅射55分钟，得到整面ZnO薄膜作为功能层。

b-1称取PbS量子点以及固态样品PbI

b-2、将配体溶液(共20ml)分成两个离心管，每个离心管10ml。第一次提纯时，10ml配体溶液加10ml乙酸乙酯沉淀，3000rpm离心3min。离心后倒去上清液，得到下层固态粉末。

b-3、将上述得到的粉末再加入DMF：正丁胺＝1：3的混合溶液500uL，进行充分溶解，得到量子点浆料。

b-4、将上述量子点浆料过滤三次后，在本实施例中的ZnO功能层上进行旋涂，设置转速为3000r时间60s，随后在70℃热台上退火10min即可得到厚度为300nm左右的PbS薄膜。

c-1、将本实施例中步骤b-4得到的器件固定于磁控溅射仪器的基盘上，采用ITO的靶材，给舱室抽真空至3e-3Pa。

c-2、通氩气至舱室压强为0.5Pa,设置气流量为30sccm，直流溅射电源加电100W，溅射20分钟，在量子点层上得到整面的ITO导电薄膜。

实施例3

该实施中量子点光电探测器的制备方法，其具体制备步骤如下：

a-1、称取PbS量子点以及固态样品PbI

a-2、将配体溶液(共20ml)分成两个离心管，每个离心管10ml。第一次提纯时，10ml配体溶液加10ml乙酸乙酯沉淀，3000rpm离心3min。离心后倒去上清液，得到下层固态粉末。

a-3、将上述得到的粉末再加入DMF：正丁胺＝1：4的混合溶液500uL，进行充分溶解，得到量子点浆料。

a-4、将上述量子点浆料过滤三次后，在干净的氧化铟锡(ITO)基底上进行旋涂，设置转速为3000r时间60s。随后在60℃热台上退火10min即可得到厚度为250nm左右的PbS薄膜。

b-1、将制备好的硫化铅量子点薄膜固定于磁控溅射仪器的基盘上，采用ITO的靶材，给舱室抽真空至3e-3Pa。

b-2、通氩气至舱室压强为0.5Pa,设置气流量为30sccm，直流溅射电源加电100W，溅射20分钟，在量子点层上得到整面的ITO导电薄膜。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。