專(zhuān)利名稱(chēng)：光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光伏型的有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器。
背景技術(shù)：
紅外光是人眼不能直接觀察到，波長(zhǎng)大于760nm，介于可見(jiàn)光與微波之間的電磁 波。要將這種紅外光轉(zhuǎn)化為可以檢測(cè)的物理量，通常的做法是將它轉(zhuǎn)化成定量的電信號(hào)。紅 外探測(cè)器就是一種將不可見(jiàn)的入射紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成可檢測(cè)的電信號(hào)輸出的器件。紅外探測(cè)器按其工作原理分為光導(dǎo)探測(cè)器和光伏探測(cè)器兩個(gè)種類(lèi)，其中，光伏探 測(cè)器是利用光生伏特效應(yīng)而制作的器件。相對(duì)于光導(dǎo)探測(cè)器而言，光伏探測(cè)器具有響應(yīng)速 度快、功耗低、易于形成陣列、無(wú)需偏置等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于紅外半導(dǎo)體材料，常規(guī)的無(wú)機(jī)紅外半導(dǎo)體存在毒性大、制備成本高、需要制 冷、不可彎曲等問(wèn)題?，F(xiàn)有的無(wú)機(jī)光伏探測(cè)器/7/7結(jié)的形成主要靠摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此不易控 制。上述這些問(wèn)題限制了紅外探測(cè)器在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。相對(duì)于無(wú)機(jī)紅外半導(dǎo)體，有機(jī)紅 外半導(dǎo)體材料具有無(wú)毒、對(duì)襯底無(wú)選擇性、可實(shí)施溶液加工、易加工成大面積柔性器件，可 通過(guò)分子剪裁調(diào)控光電性能的優(yōu)勢(shì)。但由于一般的有機(jī)聚合物材料在大于1.00微米波長(zhǎng) 范圍的紅外區(qū)域沒(méi)有光活性，因此有機(jī)紅外半導(dǎo)體材料應(yīng)用于探測(cè)器并不普遍，對(duì)材料的 研究是近年才開(kāi)展起來(lái)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的就是無(wú)機(jī)紅外光伏探測(cè)器成本高、有毒、需制冷、不能實(shí)現(xiàn)柔性 基底探測(cè)要求的問(wèn)題，提供一種光伏型的有機(jī)紅外半導(dǎo)體的探測(cè)器，具有成本低、易于實(shí)現(xiàn) 大面積、大陣列，光敏材料電阻率可控，無(wú)需制冷，可實(shí)現(xiàn)柔性加工等特點(diǎn)，在軍事、民用以 及一些特定領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，在襯底上設(shè)置各功能層構(gòu)成，各功 能層從襯底向上分別設(shè)置低功函低功函電極電極層、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層和高功函電極層構(gòu) 成頂探測(cè)器；或是從襯底向上分別設(shè)置高功函電極層、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層和低功函電極層 構(gòu)成底探測(cè)器，其特征在于襯底、高功函電極層、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層和低功函電極層分別 是
襯底是Si基襯底、非晶玻璃襯底、石英襯底、多晶陶瓷襯底或是柔性塑料襯底； 低功函電極層由材料 Na、Ag、Mg、Al、Zn、Ti、Cd、Ca、K、Li、U、In、Cs、Gd、Hf、La、Mn、 Nb、Pb、V或&單獨(dú)形成單質(zhì)電極，或是至少兩種的材料形成合金電極，或是不同單質(zhì)形成 多層電極；
有機(jī)紅外半導(dǎo)體層由酞菁鉺、酞菁釓或三明治結(jié)構(gòu)的酞菁稀土形成； 高功函電極層由材料 Au、Cu、Cr、Ni、Co、C、Si、Pd、Pt、Se、ΙΤΟ、ΑΖ0、Fe、Ir 或 Os 單獨(dú) 形成單質(zhì)電極，或是至少兩種的材料形成合金電極，或是不同單質(zhì)形成多層電極。所述的功能層還包括電子傳輸層和空穴傳輸層，電子傳輸層在探測(cè)器是頂探測(cè)
4時(shí)設(shè)置于低功函電極層上，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于低功函電極層下；空穴傳輸層在探 測(cè)器是頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層下，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層上，其 中
電子傳輸層由材料 Alq3、TAZ、PBD、Beq2, DPVBi, Almq3> OXD、BND、PV、Gaq3> Inq3、Znq2, Zn (BTZ) 2、TPBI、TPBI、ATZL、TPQ、TRZCF3> Zn (ODZ) 2、Zn(TDZ)2,、Al (ODZ) 3、NPF-6、PSP 或 SBBT單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩種材料共蒸發(fā)形成復(fù)合材料薄膜，或是不同材料依次 蒸發(fā)形成不同厚度的組合薄膜；
空穴傳輸層由材料 TPD, Spiro-TPD, NPD、HTM、TPAC, TTB、NPB、Spiro-NPB, TPTE, TNB、 NCB, BCB, IDB、ISB、PPD、TPOTA、MTDBB、TDAPB、BPAPF 或 PVK 單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩 種材料共蒸發(fā)形成復(fù)合薄膜，或是不同材料依次蒸發(fā)形成不同厚度的組合薄膜。增加的電子傳輸層使得器件電子的傳輸更為有利，而空穴傳輸層則是使得器件空 穴的傳輸有利，從而增加了器件光生激子的解離。功能層除了包括上述的電子傳輸層和空穴傳輸層外，還包括了電子收集層和空穴 收集層，電子收集層在探測(cè)器是頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于低功函電極層上，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè) 置于低功函電極層下；空穴收集層在探測(cè)器是頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層下，在探測(cè)器 是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層上，其中
電子收集層由材料 LiF, CsF、Na2O, K2O, Rb20:Al、Na20:Al、K20:A1、Rb20:Al、MgO、MgF2、 Al2O3或LiO2單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩種材料共蒸發(fā)或共濺射形成復(fù)合薄膜，或是不 同材料依次共蒸發(fā)或共濺射形成不同厚度的組合薄膜；
空穴收集層由材料 CuPc、TiOPc、PEDOTPSS, m-MTDATA、2-TNATA、SiO2, SiOrNj、TiO2, PANI、PPY、TPD-Si2Cl、TPD-Si2OMe或Teflon單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩種材料共蒸發(fā) 或共濺射形成復(fù)合薄膜，或是不同材料依次共蒸發(fā)或共濺射形成不同厚度的組合薄膜。本發(fā)明中，有機(jī)紅外半導(dǎo)體光敏層的作用是吸收紅外光，產(chǎn)生激子，形成電子和空 穴對(duì)，電子傳輸層利于電子的傳輸，而空穴傳輸層利于空穴的傳輸，電子收集層的功能則是 利于電子在電極上的收集，空穴收集層的功能則是利于空穴在電極上的收集。光敏材料與 各個(gè)功能層的組合形成有效的有機(jī)卯結(jié)，當(dāng)探測(cè)的光照到器件上時(shí)，能有效實(shí)現(xiàn)光子到電 子和空穴的轉(zhuǎn)化以及傳輸和收集，完成光到電的有效轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的探測(cè)。上述的有機(jī)紅外半導(dǎo)體層材料酞菁鉺、酞菁釓或三明治結(jié)構(gòu)的酞菁稀土被碘形成 受主摻雜，使得其電導(dǎo)率可以被調(diào)制。其中碘和機(jī)紅外半導(dǎo)體層材料的摻雜質(zhì)量比為大于 等于0，小于等于3/7。所述的功能層是通過(guò)熱蒸發(fā)、磁控濺射、脈沖激光沉積、溶膠_凝膠、電子束蒸發(fā)、 溶液旋涂或溶液印刷的方式單獨(dú)形成各功能層，或是將這些任意方式組合后形成。所述的各功能層，包括低功函電極層、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層、高功函電極層、電子 傳輸層、空穴傳輸層、電子收集層和空穴收集層，其每個(gè)功能層厚度大于Onm，小于等于 300nmo本發(fā)明的有機(jī)紅外光伏探測(cè)器，使用了不同的電子、空穴傳輸和收集等功能層，因 而利于有機(jī)光伏器件_結(jié)的形成，器件的_結(jié)是由于使用了不同Η0Μ0和LUMO的功能材 料，而不同于無(wú)機(jī)光伏器件需要使用摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)_結(jié)，有機(jī)光伏的_結(jié)形成自由度很大， 調(diào)制范圍廣。
酞菁稀土以往主要應(yīng)用于非線(xiàn)性光學(xué)材料及有機(jī)染料上，在本發(fā)明中將其應(yīng)用為 紅外有機(jī)半導(dǎo)體，應(yīng)用范圍得到了擴(kuò)展。本發(fā)明的光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器可在Si基襯底、非晶玻璃、石英襯底、多 晶陶瓷襯底以及柔性塑料襯底上制備，易實(shí)現(xiàn)大面積陣列，具有低成本、無(wú)需制冷、柔性等 優(yōu)點(diǎn)。光敏材料的電學(xué)參數(shù)可控，從而可以通過(guò)受主摻雜使器件的電阻在三個(gè)數(shù)量級(jí)的范 圍內(nèi)調(diào)控，增強(qiáng)了器件性能的調(diào)控性及與紅外系統(tǒng)的兼容性。


圖1是實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是實(shí)施例4結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是實(shí)施例5結(jié)構(gòu)示意圖 圖6是實(shí)施例6結(jié)構(gòu)示意圖
襯底1，高功函電極層2，有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3，低功函電極層4，電子傳輸層5，空穴傳輸 層6，電子收集層7，空穴收集層8。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種底探測(cè)光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，以石英片為襯底1，用熱蒸 發(fā)的方法在襯底1上沉積150nm的ΑΖ0，形成高功函電極層2，用DMSO溶解酞菁鉺，然后用 勻膠機(jī)在高功函電極層2上旋涂IOOnm的酞菁鉺，形成有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3，最后用熱蒸發(fā) 技術(shù)沉積150nm的Mg:Ag合金形成低功函電極層4。實(shí)施例2 —種頂探測(cè)光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，以石英片為襯底1，用磁控 濺射方法在襯底1上沉積150nm的Nb形成低功函電極層4，接著用熱蒸發(fā)技術(shù)沉積IOOnm 酞菁鉺，形成有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3，最后用磁控濺射的方法沉積150nm的ΙΤ0，形成高功函電 極層2。實(shí)施例3 —種底探測(cè)光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，以石英片為襯底1，用磁控 濺射的方法在襯底1上沉積200nm的ΙΤ0，形成高功函電極層2，接著依次用熱蒸發(fā)技術(shù)沉 積IOnm的TPD，形成空穴傳輸層6，150nm酞菁釓形成有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3，IOnm的Alq3形 成電子傳輸層5，最后用熱蒸發(fā)的方法沉積150nm的Mg:Ag合金形成低功函電極層4。實(shí)施例4 一種頂探測(cè)光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，以柔性塑料的一種聚碳酸 酯為襯底1，用熱蒸發(fā)的方法在襯底1上沉積150nm的Ca形成低功函電極層4，接著依次用 熱蒸發(fā)技術(shù)沉積IOnm的Znq2,形成電子傳輸層5，IOOnm酞菁釓，形成有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3， IOnm的NPD，形成空穴傳輸層6，最后用磁控濺射的方法沉積150nm的Au，形成高功函電極 層2。實(shí)施例5 —種底探測(cè)光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，以石英片為襯底1，用磁控 濺射的方法在襯底上沉積150nm的ΑΖ0，形成高功函電極層2，再用熱蒸發(fā)方法沉積5nm的 TiOPc,形成空穴收集層8，接著依次用熱蒸發(fā)技術(shù)沉積IOnm的NPD，形成空穴傳輸層6， IOOnm酞菁鉺，形成有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3，IOnm的Alq3，形成電子傳輸層5，Inm的LiF，形成電子收集層7，最后用熱蒸發(fā)的方法沉積150nm的Mg:Ag合金形成低功函電極層4。
實(shí)施例6 —種頂探測(cè)光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，以玻璃片為襯底1，用熱蒸 發(fā)的方法在襯底1上沉積150nm的Mg: Ag合金形成低功函電極層4，再用熱蒸發(fā)方法沉積 Inm的LiF，形成電子收集層7，接著依次用熱蒸發(fā)技術(shù)沉積IOnm的Znq2，形成電子傳輸層 5，IOOnm酞菁釓，形成有機(jī)紅外半導(dǎo)體層3，IOnm的NPB，形成空穴傳輸層6，5nm的CuPc， 形成空穴收集層8，最后用磁控濺射的方法沉積150nm的ΑΖ0，形成高功函電極層2。
權(quán)利要求
一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，在襯底上設(shè)置各功能層構(gòu)成，各功能層從襯底(1)向上分別設(shè)置低功函電極層(4)、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層(3)和高功函電極層(2)構(gòu)成頂探測(cè)器；或是從襯底(1)向上分別設(shè)置高功函電極層(2)、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層(3)和低功函電極層(4)構(gòu)成底探測(cè)器，其特征在于襯底(1)、高功函電極層(2)、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層(3)和低功函電極層(4)分別是襯底(1)是Si基襯底、非晶玻璃襯底、石英襯底、多晶陶瓷襯底或是柔性塑料襯底；低功函電極層(4)由材料Na、Ag、Mg、Al、Zn、Ti、Cd、Ca、 K、 Li、U、In、Cs、Gd、Hf、La、Mn、Nb、Pb、V或Zr單獨(dú)形成單質(zhì)電極，或是至少兩種的材料形成合金電極，或是不同單質(zhì)形成多層電極；有機(jī)紅外半導(dǎo)體層(3)由酞菁鉺、酞菁釓或三明治結(jié)構(gòu)的酞菁稀土形成；高功函電極層(2)由材料Au、Cu、Cr、Ni、Co、C、Si、 Pd、Pt、Se、ITO、AZO、Fe、Ir或Os單獨(dú)形成單質(zhì)電極，或是至少兩種的材料形成合金電極，或是不同單質(zhì)形成多層電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，其特征在于功能層還包 括電子傳輸層(5 )和空穴傳輸層(6 )，電子傳輸層(5 )在探測(cè)器是頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于低功函電 極層(4)上，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于低功函電極層(4)下；空穴傳輸層(6)在探測(cè)器是 頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層(2)下，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層(2)上，其 中電子傳輸層(5)由材料 Alq3、TAZ、PBD、Beq2, DPVBi, Almq3、OXD, BND, PV、Gaq3> Inq3、 Znq2、Zn (BTZ) 2、TPBI、TPBI、ATZL、TPQ、TRZCF3、Zn (ODZ) 2、Zn (TDZ) 2，、Al (ODZ) 3、NPF-6、PSP 或SBBT單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩種材料共蒸發(fā)形成復(fù)合材料薄膜，或是不同材料依 次蒸發(fā)形成不同厚度的組合薄膜；空穴傳輸層(6)由材料 TPD、Spiro-TPD, NPD、HTM、TPAC, TTB、NPB、Spiro-NPB, TPTE, TNB、NCB、BCB、IDB、ISB、PPD、TPOTA, MTDBB, TDAPB, BPAPF 或 PVK 單獨(dú)形成單層薄膜，或是 至少兩種材料共蒸發(fā)形成復(fù)合薄膜，或是不同材料依次蒸發(fā)形成不同厚度的組合薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，其特征在于功能層還包 括了電子收集層(7)和空穴收集層(8)，電子收集層(7)在探測(cè)器是頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于低功函 電極層(4)上，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于低功函電極層(4)下；空穴收集層(8)在探測(cè)器 是頂探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層(2)下，在探測(cè)器是底探測(cè)時(shí)設(shè)置于高功函電極層(2)上， 其中電子收集層(7)由材料 LiF, CsF、Na2O, K2O, Rb2O:Al、Na2O:Al、K2O:Al、Rb2O:Al、MgO、 MgF2^Al2O3或LiO2單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩種材料共蒸發(fā)或共濺射形成復(fù)合薄膜，或 是不同材料依次共蒸發(fā)或共濺射形成不同厚度的組合薄膜；空穴收集層(8)由材料 CuPc、TiOPc、PEDOTPSS, m-MTDATA、2-TNATA、SiO2, SiOxNy, TiO2, PANI、PPY, TPD-Si2Cl、TPD-Si2OMe或Teflon單獨(dú)形成單層薄膜，或是至少兩種材料 共蒸發(fā)或共濺射形成復(fù)合薄膜，或是不同材料依次共蒸發(fā)或共濺射形成不同厚度的組合薄 膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，其特征在于有 機(jī)紅外半導(dǎo)體層材料酞菁鉺、酞菁釓或三明治結(jié)構(gòu)的酞菁稀土被碘形成受主摻雜，碘和機(jī) 紅外半導(dǎo)體層材料的摻雜質(zhì)量比為大于等于0，小于等于3/7。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，其特征在于各 功能層是通過(guò)熱蒸發(fā)、磁控濺射、脈沖激光沉積、溶膠_凝膠、電子束蒸發(fā)、溶液旋涂或溶液 印刷的方式形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，其特征在于各 功能層包括低功函電極層(4)、有機(jī)紅外半導(dǎo)體層(3)、高功函電極層(2)、電子傳輸層(5)、 空穴傳輸層(6)、電子收集層(7)和空穴收集層(8)，其每個(gè)功能層厚度大于Onm，小于等于 300nmo
全文摘要
光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種光伏型的有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器。本發(fā)明的一種光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器，在特殊材料襯底上設(shè)置特殊材料各功能層構(gòu)成三層、五層或七層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的光伏型有機(jī)紅外半導(dǎo)體探測(cè)器可在Si基襯底、非晶玻璃、石英襯底、多晶陶瓷襯底以及柔性塑料襯底上制備，易實(shí)現(xiàn)大面積陣列，具有低成本、無(wú)需制冷、柔性等優(yōu)點(diǎn)。光敏材料的電學(xué)參數(shù)可控，從而可以通過(guò)受主摻雜使器件的電阻在三個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)調(diào)控，增強(qiáng)了器件性能的調(diào)控性及與紅外系統(tǒng)的兼容性。
文檔編號(hào)H01L51/44GK101980394SQ20101029665
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者唐利斌, 姬榮斌, 宋立媛, 王憶鋒, 陳雪梅, 馬鈺 申請(qǐng)人:昆明物理研究所