專利名稱：一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電子技術領域，尤其是一種半導體紫外光伏探測器技術。
背景技術：
紫外探測器具有可在室溫工作、不需制冷、探測率高、制備成本低、虛警率低等優(yōu)點，因此在環(huán)境監(jiān)測、森林防火、天文探測、科學研究、導彈逼近告警等軍民領域有著廣泛的應用。紫外半導體探測器分為光導型紫外半導體探測器及光伏型紫外半導體探測器，一般而言光導型探測器制備工藝簡單、制備成本低，但缺點是響應時間長、不易實現(xiàn)面陣、器件工作功耗高。光伏型紫外探測器具有響應時間短、功耗低、易于實現(xiàn)面陣等特點，所以光伏型紫外探測器是紫外探測器研究和發(fā)展的一個重點。目前，用于制備紫外探測器的材料主要有GaN、ZnO以及Si等材料體系。由于Si 基紫外探測器需要成本高的濾波片，因此限制了 Si基紫外探測器的應用。GaN材料的則因其制備溫度高，且Mg摻雜的ρ型GaN不易獲得，阻礙了 GaN基紫外探測器的發(fā)展。寬帶隙半導體SiO由于具有較寬的能帶隙，而被廣泛地用于紫外光電子器件的制備，然而由于自補償效應的存在，目前P型SiO材料的獲得仍然是一個技術難題，限制了 ZnO在紫外光電器件中的應用?，F(xiàn)有的多數(shù)有機半導體材料都為ρ型半導體材料。如果將η型無機ZnO材料與ρ 型有機紫外半導體材料結合起來，形成有機與無機半導體Pn異質結，這些結構新穎的異質結既結合了有機半導體的大面積及柔性優(yōu)勢，又兼具無機半導體高遷移率的優(yōu)點，因此可以設計和制作更多新型的光電子器件，它們的性能是單獨無機半導體異質結或有機半導體異質結所不具備的。芴的衍生物被廣泛地用于發(fā)光二極管、場效應晶體管、電荷轉移試劑及非線性光學材料等功能材料上，然而關于芴在有機光電子領域的研究卻很少，研究發(fā)現(xiàn)芴在紫外日盲波段有很強的紫外吸收，在紫外波段也有較強的光致發(fā)光，因此可在紫外探測器技術中得的更深入的應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的就是ZnO無機半導體材料不容易實現(xiàn)ρ型摻雜，不易形成ρη 結，以實現(xiàn)光伏型紫外半導體探測器的問題，提供一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器。本發(fā)明的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，包括基板、負極電極層、正極電極層和紫外半導體材料層，其特征在于該探測器的紫外半導體是由有機紫外半導體與無機紫外半導體雜化形成的，以ZnO納米棒陣列為η型無機半導體，以寬帶隙有機紫外半導體為P型有機半導體形成Pn結。所述的寬帶隙有機紫外半導體材料為芴、蒽、六氯代苯、聚芴或PBD。
3
所述ZnO納米棒陣列生長前需生長一層厚度為10 IOOnm的ZnO籽晶層，用于后續(xù)aio納米棒陣列的誘導生長，以便形成結構有序的aio納米棒陣列。所述的η型無機半導體是垂直于基板的SiO納米棒陣列，其長度為500 1500nm， 直徑為60 85nm，以增加光生電子的傳輸效率。所述的ZnO納米棒陣列中填充電絕緣的PMMA聚合物，其厚度為470 1470nm，ZnO 納米棒露出PMMA的填充物30 50nm，以便后續(xù)ρ型寬帶隙有機紫外半導體與η型ZnO無機紫外半導體最大化接觸，防止器件的串音，增加器件的穩(wěn)定性。所述的ρ型寬帶隙有機紫外半導體材料是在ZnO納米棒陣列頂部熱蒸發(fā)或旋涂形成的，其厚度為80 150nm。所述的ρ型寬帶隙有機紫外半導體上沉積有5 30nm厚度的氧化鉬薄膜。所述的正極電極層是在氧化鉬薄膜上熱蒸發(fā)或電子束沉積半透明高功函金屬Au 或Pt薄膜形成的，用于收集光生空穴。所述的探測器負極電極層為ITO薄膜，厚度為100 300nm。工作時ITO透明底電極為負極，收集光生電子，半透明金屬Au或Pt為正極，收集光生空穴，ZnO納米棒陣列具有很好的電子軸向輸運能力，使得本發(fā)明的探測器具有優(yōu)良的性能。本發(fā)明的探測器，具有以下的優(yōu)點
大面陣，本發(fā)明的ZnO納米棒、有機半導體薄膜等都容易實現(xiàn)大面積制備，因此基于此技術的探測器可以實現(xiàn)大面陣、高密度探測元陣列。響應速度快，本發(fā)明的有機與無機雜化半導體紫外探測器為光伏型器件，光生電子和空穴在內建電場下的解離、輸運和收集效率高，輸運路程短，因此探測器的響應速度快。低功耗，本發(fā)明的探測器為光伏型紫外探測器，可以在零偏置或低電壓偏置條件下工作，因此器件功耗低。
圖1是實施例1探測器結構示意圖。圖2是實施例1中4X 10_3 M芴的環(huán)己烷溶液UV-Vis吸收光譜圖。圖3是實施例1芴溶液在300nm激發(fā)光波長下的光致發(fā)光譜圖。圖4是實施例1探測器無光照時的I-V曲線圖。圖5是實施例1探測器的紫外光響應曲線圖。其中，基板1，負極電極層2，籽晶層3，納米棒陣列4，PMMA 5，寬帶隙有機紫外半導 6，氧化鉬薄膜7，正極電極層8。
具體實施例方式實施例1 本發(fā)明的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，從基板到正極電極層依次形成以下的結構層次
(1)石英片或玻璃片基板1;
(2)150nm厚的透明ITO薄膜形成的負極電極層2 ；
4(3)50nm厚的ZnO籽晶層3;
(4)IOOOnm長，直徑為60nm的ZnO納米棒陣列4 ；
(5)填充于SiO納米棒陣列中的PMMA5；
(6)85nm厚的ρ型寬帶隙有機紫外半導體6，其材料為芴，其中30nm厚鑲嵌在ZnO納米棒陣列4中，55nm厚露于ZnO納米棒陣列4外面；
(7)20nm厚的氧化鉬薄膜7；
(8)高功函金屬Au或Pt薄膜正極電極層8。
該探測器是通過以下的工藝步驟制備而得的
(1)清洗基板1石英片或玻璃片，烘干；
(2)用磁控濺射或溶膠-凝膠技術在石英或玻璃基板1上制備150nm的透明電極ITO 薄膜，作為光伏探測器的負極電極層2 ；
(3)用磁控濺射技術、溶膠-凝膠技術或PLD技術在ITO薄膜上制備50nm厚的ZnO籽晶層3 ；
(4)在ZnO籽晶層3上用水熱技術制備長度為lOOOnm，直徑為60nm的ZnO納米棒陣列
4 ；
(5)用甩膠機于1000轉/分轉速下在ZnO納米棒陣列4中填充PMMA5，于80°C烘干，讓 ZnO納米棒陣列4露頭30nm ；
(6)用熱蒸發(fā)技術在ZnO納米棒陣列4上沉積85nm厚的ρ型寬帶隙有機紫外半導體 6，其材料為芴，其中30nm厚鑲嵌在SiO納米棒陣列4中，55nm厚露于SiO納米棒陣列4外
(7)接著用熱蒸發(fā)技術在ρ型有機紫外半導體芴上面制備20nm厚的氧化鉬薄膜7，以增加光生空穴的收集效率；
(8)最后，在氧化鉬薄膜7上熱蒸發(fā)或電子束沉積高功函金屬Au或Pt薄膜，作為探測器的正極電極層8。實施例2 本發(fā)明的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，從基板到正極電極層依次形成以下的結構層次
(1)石英片或玻璃片基板1;
(2)120-250nm厚的透明ITO薄膜形成的負極電極層2 ；
(3)20-60nm厚的ZnO籽晶層3 ；
(4)600-1200nm長，直徑為70_80nm的ZnO納米棒陣列4 ；
(5)填充于ZnO納米棒陣列4中的PMMA5，ZnO納米棒陣列4露頭35_40nm；
(6)制備90-120nm厚的ρ型寬帶隙有機紫外半導體6，其材料為蒽、六氯代苯、聚芴或 PBD薄膜，其中一部分鑲嵌在ZnO納米棒陣列4中，其余部分露于ZnO納米棒陣列4外面；
(7)制備20-30nm厚的氧化鉬薄膜7；
(8)高功函金屬Au或Pt薄膜正極電極層8。該探測器是通過以下的工藝步驟制備而得的
(1)清洗基板1石英片或玻璃片，烘干；
(2)在石英或玻璃基板1上制備120-250nm的透明電極ITO薄膜，作為光伏探測器的負極電極層2 ；(3)在ITO上制備20-60nm厚的ZnO籽晶層3；
(4)在ZnO籽晶層3上用水熱技術制備長度為600-1200nm，直徑為70-80nm的ZnO納米棒陣列4 ；
(5)用甩膠機于800-1500轉/分轉速下在ZnO納米棒陣列4中填充PMMA5，于80°C烘干，讓ZnO納米棒陣列4露頭35-40nm ；
(6)在ZnO納米棒陣列4上沉積90-120nm厚的ρ型寬帶隙有機紫外半導體6，其材料為蒽、或六氯代苯、聚芴或PBD，其中一部分鑲嵌在ZnO納米棒陣列4中，其余部分露于ZnO 納米棒陣列4外面，以保證SiO納米棒露頭35-40nm ；
(7)在ρ型寬帶隙有機紫外半導體6上面制備20-30nm厚的氧化鉬薄膜7，以增加光生空穴的收集效率；
(8)最后，在氧化鉬薄膜7上制備高功函金屬Au或Pt薄膜，作為探測器的正極電極層8。
權利要求
1.一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，包括基板(1)、負極電極層(2)、正極電極層(8)和紫外半導體材料層，其特征在于該探測器的紫外半導體是由有機紫外半導體與無機紫外半導體雜化形成的，以ZnO納米棒陣列(4)為η型無機半導體，以寬帶隙有機紫外半導體(6)為ρ型有機半導體形成ρη結。
2.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的寬帶隙有機紫外半導體材料為芴、蒽、六氯代苯、聚芴或PBD。
3.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的ZnO納米棒陣列(4)生長前需生長一層厚度為10 IOOnm的ZnO籽晶層(3)。
4.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的η型無機半導體是垂直于基板(1)的ZnO納米棒陣列(4)，其長度為500 1500nm，直徑為 60 85nm。
5.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的ZnO納米棒陣列(4)中填充電絕緣的聚合物PMMA (5)，其厚度為470 1470nm，Zn0納米棒露出PMMA (5)的填充物30 50nm。
6.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的P型寬帶隙有機紫外半導體(6)是在ZnO納米棒陣列(4)頂部熱蒸發(fā)或旋涂形成的，其厚度為80 150nm。
7.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的P型寬帶隙有機紫外半導體(6)上沉積有5 30nm厚度的氧化鉬薄膜(7)。
8.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的正極電極層(8)是在氧化鉬薄膜(7)上熱蒸發(fā)或電子束沉積半透明高功函金屬Au或Pt 薄膜形成的。
9.如權利要求1所述的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，其特征在于所述的探測器負極電極層(2)為ITO薄膜，厚度為100 300nm。
全文摘要
一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，屬于光電子技術領域，尤其是一種半導體紫外光伏探測器技術。本發(fā)明的一種有機與無機雜化半導體紫外光伏探測器，包括基板、負極電極層、正極電極層和紫外半導體材料層，其特征在于該探測器的紫外半導體材料層是由有機紫外半導體與無機紫外半導體雜化形成的，其中，紫外半導體以ZnO納米棒陣列為n型無機半導體，以寬帶隙有機紫外半導體為p型有機半導體形成pn結。本發(fā)明的探測器具有大面陣、響應速度快和低功耗的特點。
文檔編號H01L51/42GK102222771SQ201110180109
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權日2011年6月30日
發(fā)明者唐利斌, 姬榮斌, 宋立媛, 王憶鋒, 陳雪梅, 馬鈺 申請人:昆明物理研究所