一种基于量子点光栅增强的光电探测器及其制备方法和探测光的调整方法技术

本发明专利技术涉及一种基于量子点光栅增强的光电探测器及其制备方法和探测光的调整方法，所述基于量子点光栅增强的光电探测器包括依次连接的电极层、量子点层、量子点高折射率光栅结构层及低折射率光栅结构层；量子点高折射率光栅结构层的存在使得基于量子点光栅增强的光电探测器对长波长光的吸收率提高，且对长波长的光的探测响应度明显提升，且能通过结构参数的调整实现光波长、不同偏振态的区别探测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子点光栅增强的光电探测器及其制备方法和探测光的调整方法
本专利技术属于光电探测领域，涉及一种基于量子点光栅增强的光电探测器及其制备方法和探测光的调整方法。
技术介绍
胶体量子点(CQDs)由于其从紫外到太赫兹范围的广泛可调光学特性，引起了人们的广泛关注。由于需要将其光学特性和电子输运结合起来，它们与光电器件的集成成为了另一个挑战。配体交换工艺的发展是这方面的一个重要突破，这使得我们能够实现更强的电子耦合以及调谐CQD掺杂。由于配体交换，迁移率已从10-6cm2V-1s-1(带有长配体的CQD)增加到了10-3～10-2cm2V-1s-1。甚至在采用离子/无机表面化学处理后，迁移率可以高达1。然而，尽管取得了以上进展，载流子扩散长度仍然局限于100nm以下，这至少比完全吸收所需的厚度小1个数量级。因此基于CQD的光电探测器的设计，都是在光吸收和电荷传导之间进行权衡的结果。由于扩散长度较短，基于CQD的吸收层厚度大多保持在500nm以下，这使得只有10-50％的入射光被吸收，到达电极的光生载流子数量甚至更低。这是基于CQD的光电探测器设计中需要解决的一个重大挑战。近年来，利用PbS和HgTe-CQDs作为InGaAs技术的低成本替代品，在短波红外探测器的设计方面取得了很大进展。由于CQD层的厚度有限，克服CQD基光探测器低吸收的一种可能的策略是将光集中在有限厚度的CQD层内并且增强对光的吸收。虽然这一领域已经在传统半导体太阳能电池和红外传感器中得到了广泛的研究，但对于基于CQD的器件，这方面的工作却少得多。CN109659374A公开了一种光电探测器、光电探测器的制备方法、光电探测器阵列和光电探测终端，其中，所述光电探测器包括衬底和形成于该衬底之上的光学谐振腔：所述光学谐振腔可包括：光吸收层，具有相对的光线入射外表面和底部外部表面，以及位于所述光线入射表面与所述底部表面之间的外侧壁；陷光结构层，覆盖于所述光线入射表面；以及光反射结构层，覆盖于所述光吸收层的所述底部外表面和/或所述外侧壁上；其中，所述光反射结构层用于反射透过所述陷光结构层射入所述光学谐振腔中的外部光线；其并未实现对不同偏振光的区别探测以及对吸收光波长的调控；CN110311007A公开了一种量子点近红外光电探测器件，包括导电基底层，导电基底层的上方由下至上依次设置有第一电子传输层，金属纳米颗粒层，第二电子传输层，红外量子点层，金属电极；其并未实现对光吸收效率的改善，也未实现对不同偏振光的区别探测以及对吸收光波长的调控。因此，开发一种对探测光具有极高的吸收效率、能对探测光的波长进行调控，且能对不同偏振光进行有区别的探测的光电探测器及其制备方法仍具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于量子点光栅增强的光电探测器及其制备方法和探测光的调整方法，所述基于量子点光栅增强的光电探测器包括依次连接的电极层、量子点层、量子点高折射率光栅结构层及低折射率光栅结构层；其中，量子点高折射率光栅结构层的存在使得基于量子点光栅增强的光电探测器对长波长光的吸收率提高，且对长波长的光的探测响应度明显提升，且能通过调整光栅的结构参数有效实现对吸收光波长的调控，并能实现对不同偏振态的光的区别探测。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种基于量子点光栅增强的光电探测器，所述基于量子点光栅增强的光电探测器包括依次连接的电极层、量子点层、量子点高折射率光栅结构层及低折射率光栅结构层。本专利技术所述基于量子点光栅增强的光电探测器中的量子点高折射率光栅结构层的设置使得其具有更高的光吸收效率、且对长波长光(1500-2400nm)的探测响应度明显提升；其能通过选择不同的材料实现对吸收光波长的调控，从而可针对性的选择增强某个波长的高探测响应度；且本专利技术研究发现量子点高折射率光栅结构层对吸收光偏振敏感，本专利技术所述基于量子点光栅增强的光电探测器能有效的对不同的偏振光进行区别探测。不同偏振方向的光，横电模(TransverseElectricfield，TE)和横磁模(TransverseMagneticfield，TM)对比发现，传统平面器件结构无法区分不同的偏振光，不同的偏振光入射到平面器件上其吸收基本无差别，而本专利技术中基于量子点光栅增强的光电探测器能有效的对不同的偏振光进行区别探测；例如量子点高折射率光栅结构层中的量子点材料选择PbS时，调整占空因数和纵深，使得周期为1800nm的量子点高折射率光栅结构层实现对波长为1731nm的两种偏振光的吸收率差别探测，TE偏振对应的吸收率为93.67％，而TM偏振的吸收率为51.41％。对于光电探测器来说，以PbS量子点光电探测器为例，其不包含量子点高折射率光栅结构层时，入射光越是长波长，接近PbS材料的吸收边，吸收系数显著减少，而PbS量子点层厚度为150-200nm，不足以完全吸收入射光能量，此时，大量的入射光从透明衬底端出射，从而造成浪费；同时，胶体量子点中的载流子的扩散长度通常限制在100nm以下，然而，胶体量子点薄膜往往需要达到1～2um厚度才能做到对光的完全吸收。因此，基于胶体量子点的光电探测器的设计是在光吸收和电荷传导之间进行权衡的结果。由于载流子扩散长度较短，基于CQD的吸收层厚度通常保持在500nm以下，这使得只有10-50％的入射光被吸收，到达电极的光载流子数量甚至更低。而本专利技术所述基于量子点光栅增强的光电探测器通过添加量子点高折射率光栅结构对未被量子点层吸收的光进行高反射，使这部分光再次射入量子点层，实现光吸收；并且量子点高折射率光栅结构可以对吸收光进行局部增强，进而显著提升吸收效率；量子点高折射率光栅结构层和量子点层采用相同的量子点材料，便于工艺过程的完成；且能够进一步对长波长的入射光进行吸收，产生更多的电子空穴对，从而提升光电探测器的器件性能。本专利技术所述基于量子点光栅增强的的光电探测器不仅是对传统光电探测器的一种改良，也是对光电器件结构的发展的促进，其具有更加广阔的应用前景和性能优势。优选地，所述量子点高折射率光栅结构层的材质包含PbS、CdSe、PbSe、AgS、HgTe、InGaAs及钙钛矿材料中的至少一种，优选为PbS。上述量子点高折射率光栅结构层中的PbS、CdSe、PbSe、AgS、HgTe、InGaAs及钙钛矿材料均具有高的折射率。本专利技术中量子点高折射率光栅结构层优化的吸收波长根据量子点材料的不同可以在不同波段，例如PbS/PbSe/AgS/HgTe都可以针对红外波段。InGaAs、钙钛矿量子点可以针对可见波段。优选地，所述低折射率光栅结构层的材质包括低折射率的柔性材料和/或非柔性材料。优选地，所述低折射率的柔性材料包括硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的至少一种。优选地，所述低折射率的非柔性材料包括玻璃及硅片中的至少一种。优选地，所述量子点层的材质选自PbS、CdSe、PbSe、AgS、HgTe、InGaAs及钙钛矿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述基于量子点光栅增强的光电探测器包括依次连接的电极层、量子点层、量子点高折射率光栅结构层及低折射率光栅结构层。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述基于量子点光栅增强的光电探测器包括依次连接的电极层、量子点层、量子点高折射率光栅结构层及低折射率光栅结构层。


2.如权利要求1所述的基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述量子点高折射率光栅结构层的材质包含PbS、CdSe、PbSe、AgS、HgTe、InGaAs及钙钛矿材料中的至少一种；
优选地，所述低折射率光栅结构层的材质包括低折射率的柔性材料和/或非柔性材料；
优选地，所述低折射率的柔性材料包括硅胶、PDMS及PET中的至少一种；
优选地，所述低折射率的非柔性材料包括玻璃及硅片中的至少一种。


3.如权利要求1或2所述的基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述量子点层的材质选自PbS、CdSe、PbSe、AgS、HgTe、InGaAs及钙钛矿材料中的至少一种；
优选地，所述量子点层的材质与量子点高折射率光栅结构层的材质相同；
优选地，所述量子点层的厚度为90-300nm。


4.如权利要求1-3任一项所述的基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述量子点高折射率光栅结构层的周期为800-1400nm；
优选地，所述量子点高折射率光栅结构层的占空因数为0.2-0.8；
优选地，所述量子点高折射率光栅结构层的纵深为150-400nm；
优选地，所述量子点高折射率光栅结构层的光栅结构与低折射率光栅结构层的光栅结构相互嵌合。


5.如权利要求1-4任一项所述的基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述电极层的材质选自Al、Ag、Au及氧化铟锡中的至少一种；
优选地，所述电极层通过蒸镀和/或磁控溅射得到；
优选地，所述电极层通过蒸镀金属得到；
优选地，所述电极层通过磁控溅射氧化铟锡得到。


6.如权利要求1-5任一项所述的基于量子点光栅增强的光电探测器，其特征在于，所述低折射率光栅结构层背对所述高折射率光栅结构层的一侧设置有衬底层；
优选地，所述衬底层的材质包括玻璃、硅片及PET中的至少一种；
优选地，所述衬底层的材质为柔性材质时，衬底层和低折射率光栅结构层为同一种材料，包括硅胶、PDMS中的至少一种。


7.如权利要求1-6任一项所述的基于量子点光栅增强的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括压印法及FIB刻蚀法中的至少一种；
优选地，所述压...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴丹，陈晓龙，刘晨曦，唐浩东，孙小卫，王恺，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44