一种量子点结构光电探测器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种量子点结构光电探测器的制备方法，具有一覆盖有介质层的高掺杂衬底，包括以下步骤：在介质层上形成二维材料层；在二维材料层的表面涂覆量子点材料层溶液，形成量子点材料层；在量子点材料层上制作一层图形化的透明导电膜，完成器件制备。一种电压辅助的量子点结构光电探测器，从下到上依次包括高掺杂衬底、介质层、二维材料层、量子点材料层及透明导电膜，二维材料层上形成源电极和漏电极；二维材料层与量子点材料层接触形成内建电场；透明导电膜与高掺杂衬底之间施加一个与内建电场方向一致的可调的调制电压。本发明专利技术可以提高器件的响应速度和光电流增益，使器件性能得到显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种量子点结构光电探测器及其制备方法
本专利技术属于光电探测器
，具体涉及一种电压辅助的量子点结构光电探测器。
技术介绍
石墨烯和类石墨烯二维(2D)材料因其非凡的电子和光学性质引起了广泛关注，其在光电应用如光电探测中具有很大的潜力。虽然石墨烯和类石墨烯二维材料的研究取得了很大的进展，但基础和实践方面存在的问题仍阻碍着石墨烯和类石墨二维材料的应用。石墨烯是一种单原子层状的二维材料，碳原子排列在六角蜂窝状晶格中，具有许多吸引人的电子、光学、力学和热学性质。在石墨烯中传递的电子表现为无质量的Dirac费米子，能量和动量之间呈线性关系，这使得石墨烯的电荷载流子迁移率在常温下能达到105cm2/Vs，在低温下能达到106cm2/Vs。这种优异的电子性质引起了人们的广泛关注，使石墨烯用于高频和高速电子器件、场效应晶体管和反相器成为可能，石墨烯被视为硅的替代材料。然而，石墨烯的零带隙和半金属特性阻碍了其在逻辑开关器件的应用，但是这个所谓的“缺点”却利于其在光电子方面的应用，因为它打破了光子能量小于带隙的光线对其它半导体的“长波长限制”。而且，单层石墨烯在300-2500nm范围内的光吸收系数可达到7x105cm-1，远远高于传统的半导体材料。这些优异的光学性能使石墨烯制成的各种功能器件，如发光二极管、太阳能电池、光催化剂、生物传感器、光电探测器中的支撑和/或活性材料，均具有很好的发展前景。目前，一些新型结构的探测器均基于石墨烯，较为典型的有三种：第一种是两层石墨烯电极中间夹一层六方氮化硼介质层，沟道包含了介质层，这种器件的特点是暗电流比较低，开关比很高；第二种是两层石墨烯中间夹一层介质层，但是沟道是下层石墨烯并没有包含介质层，而上层石墨烯与介质层起到了对下层石墨烯光调制作用，这种器件增益系数很大，响应提高了很多；第三种一层石墨烯与其他材料的异质结中间夹了一层介质层，石墨烯作为沟道，介质层不在其中。石墨烯的弱光吸收特性，以及其没有从一个入射光子产生多个电荷载体的增益机制限制了石墨烯基光电探测器的响应。2012年，GerasimosKonstantatos提出了将量子点和石墨烯混合的想法从而制备出量子点石墨烯混合光探测器，在由单层或双层石墨烯组成的混合光电探测器上覆盖有胶体量子点薄膜，展示了108个光电增益，器件具有近107A/W的响应度，增加了可调量子点层中光吸收产生并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的长俘获寿命，使得量子点中束缚的载流子在复合前，有大量的相反载流子经过石墨烯沟道在两个电极间流动，使得器件的光电流增益大幅增加。该光探测器具有7x1013J的特定检测灵敏度，并且开关和器件响应度高，但是存在暗电流大、响应速度慢的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种量子点结构光电探测器及其制备方法，该光电探测器使得量子点材料中的光生载流子可以更快速、更容易地进入二维材料导电沟道，进而提高器件的响应速度和光电流增益，使器件性能得到显著提升。为达到上述要求，本专利技术采取的技术方案是：提供一种量子点结构光电探测器的制备方法具有一覆盖有介质层的高掺杂衬底，包括以下步骤：S1、将二维材料转移到所述介质层上，形成二维材料层；S2、在所述二维材料层上制作源电极和漏电极；S3、在所述二维材料层的表面涂覆量子点材料层溶液，形成与二维材料层接触的量子点材料层；S4、在所述量子点材料层上制作一层图形化的透明导电膜，完成器件制备。一种电压辅助的量子点结构光电探测器，从下到上依次包括高掺杂衬底、介质层、二维材料层、量子点材料层及透明导电膜，二维材料层上形成有与二维材料层连接的源电极和漏电极，且源电极和漏电极分别位于量子点材料层的两侧；二维材料层与量子点材料层接触，形成对量子点中单一电荷有束缚作用的内建电场；透明导电膜与高掺杂衬底之间施加一个可调的调制电压，所述调制电压的电场方向与所述内建电场方向一致。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：在二维材料层上形成量子点材料层，不仅拓宽了器件的响应光谱而且限制了载流子复合，增加了载流子寿命，增加了光响应；由于二维材料层超高的迁移率，使得该器件的光响应速度增加；透明导电膜不会影响光的吸收情况，但是由于量子点材料层与二维材料层之间形成的内建电场很小，在透明导电膜与高掺杂硅衬底之间施加一个外加电场，使得量子点材料中的光生载流子可以更快速、加容易进入二维材料导电沟道，进而进一步提高响应速度和光电流增益，器件性能显著提升；并且量子点材料对二维材料有一个光的栅极调控作用，对透明导电膜施加电压，通过改变施加的电压大小可以扩大对二维材料的调控范围，控制器件的响应快慢和响应强弱。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1为本专利技术光电探测器的主视图；图2为本专利技术光电探测器的俯视图；图3为本专利技术制作方法的流程示意图；图4为本专利技术中所述外加电场与内部电场的方向。具体实施方式为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。如图3所示，本实施例提供一种量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，具有一覆盖有氧化铝介质层2的高掺杂硅衬底1，包括以下步骤：依次使用去污剂、丙酮、乙醇及去离子水超声清洗高掺杂硅衬底1；将石墨烯转移到氧化铝介质层2上，形成石墨烯层3；在石墨烯层3上旋涂光刻胶，用紫外光刻的方法光刻掉源电极和漏电极位置处的光刻胶，显影定影；将显影定影后的器件在电子束蒸发设备中蒸镀一层50nm的金属电极，形成源电极4和漏电极7，并去掉多余光刻胶；在石墨烯层3的表面涂覆钙钛矿量子点材料层5溶液，烘干蒸发溶剂，形成与石墨烯层3接触的钙钛矿量子点材料层5；在钙钛矿量子点材料层5上面制作一层图形化的ITO透明导电膜6，完成器件制备。透明导电膜6为金属氧化物薄膜或透明聚合物薄膜，在可见光与近红外波段具有良好的透过率。如图1-2所示，还提供一种采用上述方法制得的电压辅助的量子点结构光电探测器，从下到上依次包括高掺杂硅衬底1、氧化铝介质层2、石墨烯层3、钙钛矿量子点材料层5及透明导电膜6，石墨烯层3上形成有与石墨烯层3连接的源电极4和漏电极7，且源电极4和漏电极7分别位于钙钛矿量子点材料层5的两侧，在源电极4和漏电极7施加工作电压后形成探测器导电通道；石墨烯层3与钙钛矿量子点材料层5接触，形成对钙钛矿量子点中单一电荷有束缚作用的内建电场，石墨烯层为光电流导电沟道，钙钛矿量子点材料层5产生的载流子寿命较长；透明导电膜6与高掺杂硅衬底1之间施加一个可调的调制电压，该调制电压的电场方向与内建电场方向一致。该光电探测器的工作原理是：石墨烯层3为底部导电沟道，钙钛矿量子点材料层5的作用类似顶部栅极，由于钙钛矿量子点材料层5的费米能级与石墨烯层3的费米能级不同，钙钛矿量子点材料层5中的自由电子会到达石墨烯层3从而在两者之间形成了內建电场，这个内建电场是比较弱的，光照在器件上面产生的光生空穴会在內建电场的作用下进入石墨烯层3从而在沟道中形成光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，具有一覆盖有介质层的高掺杂衬底，包括以下步骤：S1、将二维材料转移到所述介质层上，形成二维材料层；S2、在所述二维材料层上制作源电极和漏电极；S3、在所述二维材料层的表面涂覆量子点材料层溶液，形成与二维材料层接触的量子点材料层；S4、在所述量子点材料层上制作一层图形化的透明导电膜，完成器件制备。

【技术特征摘要】
1.一种量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，具有一覆盖有介质层的高掺杂衬底，包括以下步骤：S1、将二维材料转移到所述介质层上，形成二维材料层；S2、在所述二维材料层上制作源电极和漏电极；S3、在所述二维材料层的表面涂覆量子点材料层溶液，形成与二维材料层接触的量子点材料层；S4、在所述量子点材料层上制作一层图形化的透明导电膜，完成器件制备。2.根据权利要求1所述的量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，所述二维材料层为石墨烯、MoS2、MoSe2、WS2、WSe2或黑磷。3.根据权利要求1或2所述的量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，所述量子点材料层为硫化铅、硒化镉或钙钛矿。4.根据权利要求3所述的量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，所述透明导电膜为金属氧化物薄膜或透明聚合物薄膜。5.根据权利要求3所述的量子点结构光电探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，韩嘉悦，杨明，黄泽华，苟君，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51