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CN113314623A - 一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器及其制备方法 - Google Patents

一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器及其制备方法 Download PDF

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CN113314623A
CN113314623A CN202110726677.3A CN202110726677A CN113314623A CN 113314623 A CN113314623 A CN 113314623A CN 202110726677 A CN202110726677 A CN 202110726677A CN 113314623 A CN113314623 A CN 113314623A
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CN
China
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electrode
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ion beam
layer
photodetector
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CN202110726677.3A
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吴丹
王恺
孙小卫
唐浩东
刘晨曦
刘皓宸
林涛
仇明侠
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Shenzhen Technology University
Southern University of Science and Technology
Original Assignee
Shenzhen Technology University
Southern University of Science and Technology
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Abstract

本发明提供了一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器及其制备方法，所述的光电探测器包括层叠设置的衬底、叉指电极和有源层，电极层包括相对设置的两个呈齿状结构的电极片，电极片的齿状结构相对且交错设置，形成蛇形沟道；有源层与电极层接触的一侧嵌入电极层的蛇形沟道内，蛇形沟道的宽度大于等于所述有源层中载流子的扩散长度。通过亚波长尺度的电极沟道宽度更窄，电极厚度更大，将光吸收和载流子提取方向解耦合；此外，有源层形成光栅结构，通过调控局域光场强度增强工作区域的光吸收，进一步地，可通过选择有源层材料、材料颗粒尺寸或者叉指电极尺寸，调控有源层光栅结构的吸收特性，从而可以针对性的选择增强某个波长的高探测响应度。

Description

一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电探测器技术领域，尤其涉及一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器及其制备方法。
背景技术
目前，短波长红外光电探测器大多采用平面结构的透明层对光进行吸收，存在吸收效率低和灵敏度较低的问题。其中，在平面结构所采用电极通常为数十微米级的叉指电极，常用的是20～100μm，由于电极沟道宽度比较宽，然而有源层材料存在扩散距离短的特性，其远远小于电极间沟道距离。因此许多载流子还没有被电极收集就复合了。同时，还因为有源层材料的扩散距离短，在传统设计中，光吸收的路径与载流子传输路径是同一条，因此有源层厚度受到限制。此外，因为电极材料自身的尺寸以及沟道之间的间距都远大于亚波长尺寸，因此不能调控光场，其吸收入射光的能力有限。短波长红外光电探测器的应用领域拓展到生物医疗等领域，虽然应用场景不同，但对光电探测器的灵敏度要求越来越高。
CN108807562A公开了一种光电探测器及其制备方法，包括依次层叠接触设置的基底、叉指电极层和光活性层。所述叉指电极层包括第一叉指电极和第二叉指电极，该第一叉指电极和第二叉指电极相互交错设置。第一叉指电极包括第一连接部及连接在该第一连接部上的多个第一叉指部，所述多个第一叉指部相互平行间隔设置；所述第二叉指电极包括第二连接部及连接在该第二连接部上的多个第二叉指部，所述多个第二叉指部相互平行间隔设置；所述多个第一叉指部与所述多个第二叉指部相互间隔且交错设置，相邻的所述第一叉指部与所述第二叉指部之间的间隔为20微米。但是其存在对载流子的提取效率较低的问题。
CN107134503A公开了一种纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器及其制备方法，具体是以高雾度的透明纤维素薄膜为衬底，利用磁控溅射法生长氧化锌半导体薄膜，再将叉指电极掩膜版紧贴在氧化锌半导体薄膜上，在叉指电极掩膜版和未被叉指电极掩膜版遮盖的氧化锌半导体薄膜叉指电极掩模版上采用电子束蒸发方法生长金属薄层，移除叉指电极掩膜版后、在氧化锌半导体薄膜上制造有金属电极，最终制备获得纤维素基柔性氧化锌紫外光电探测器。该器件具有针对紫外光的特征响应和柔性可弯曲的特点，此外高雾度的透明纤维素衬底可以起到陷光作用，因此提高紫外光电探测器的响应度。其叉指宽度为100μm，叉指间距为100μm，叉指长度为1cm，探测波段在紫外波段。
现有技术中，光电探测器存在对载流子的提取效率较低、无法对吸收光进行波长调控和无法区分不同的偏振光的问题，因此，光电探测器能够对不同偏振方向的光进行有区别的探测的情况下，还能够提高对载流子的提取效率以及特定波长光的吸收效率，成为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器及其制备方法，通过亚波长尺度的电极沟道，即蛇形沟道的宽度更窄，适配于有源层中载流子的扩散长度，可以更加有效地收集光生载流子，此外还可以提高对特定波长光的吸收效率，并且能够对不同偏振方向的光进行有区别的探测，有效地提高光电探测器的性能，具有探测响应度高、吸收光波长可调控和偏振敏感的特性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器，所述的光电探测器包括层叠设置的衬底、叉指电极和有源层，所述电极层包括相对设置的两个呈齿状结构的电极片，所述电极片的齿状结构相对且交错设置，形成蛇形沟道；所述有源层与电极层接触的一侧嵌入所述电极层的蛇形沟道内，所述蛇形沟道的宽度大于等于所述有源层中载流子的扩散长度。
本发明通过亚波长尺度的电极沟道宽度更窄，适配于有源层中载流子的扩散长度，可以更加有效地收集光生载流子，通过亚波长尺度的电极厚度更大，将光吸收和载流子提取方向解耦合，突破传统量子点光电探测器的有源层厚度受限的壁垒。所述有源层嵌入在叉指电极之后，形成的纳米尺寸有源层光栅结构作为吸收层可以增强工作区域的光吸收，此外，可通过选择有源层材料、调控材料颗粒尺寸或者改变叉指电极的尺寸来调控有源层光栅结构在不同波长下的吸收特性，从而可以针对性的选择增强某个波长的高探测响应度。所制备光电探测器具有探测响应度高、吸收光波长可调控和偏振敏感的特性。
作为本发明的一个优选技术方案，所述呈齿状结构的电极片包括至少两个并排设置的电极齿，不同所述电极片上的电极齿交错布置形成所述的蛇形沟道。
优选地，所述蛇形沟道的宽度大于等于所述有源层中载流子的扩散长度的两倍。
优选地，同一所述电极片上，相邻所述电极齿同一侧面之间的距离为100～2000nm，例如，距离为100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm或2000nm。
优选地，所述蛇形沟道的宽度为50～1000nm，例如，宽度为50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。
优选地，所述电极齿的长度为2000～20000nm，例如，长度为2000nm、3000nm、4000nm、5000nm、6000nm、7000nm、8000nm、9000nm、10000nm、11000nm、12000nm、13000nm、14000nm、15000nm、16000nm、17000nm、18000nm、19000nm或20000nm。
优选地，所述电极片的厚度均为200～500nm，例如，厚度均为200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm或500nm。
优选地，所述电极片上有源层的厚度为0～200n m，例如，厚度为10nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm或200nm。
作为本发明的一个优选技术方案，所述有源层的材质包括量子点材料和/或钙钛矿材料。
本发明通过控制电极层中齿状结构的尺寸参数，如蛇形沟道的宽度和电极片的厚度，配合不同量子点材料或钙钛矿材料，对探测光的波长进行调控。
需要说明的是，钙钛矿材料为一类材料，通式为ABX3，通过替代此类材料中的钙、钛、氧来改善材料的物理、化学性质，是一系列具有钙钛矿晶型的有机金属卤化物吸光材料。
优选地，所述的量子点材料包括PbS、CdSe、HgTe、PbSe或InP中的一种或至少两种的组合。
优选地，所述衬底的材质包括SiO2和/或PDMS。
需要说明的是，PDMS指聚二甲基硅氧烷，是一种疏水类的有机硅物料。
优选地，所述电极层的材质包括ITO和/或IZO。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器的制备方法，所述的制备方法包括：
在衬底表面加工呈齿状结构且交错设置的电极片，形成电极层，在电极层的表面填充有源层材料，使有源层材料填充至所述蛇形沟道内，并覆盖在电极片的表面，形成有源层，制备得到所述的光电探测器。
作为本发明的一个优选技术方案，所述电极片的加工方法包括聚焦离子束氦离子显微镜技术、电子束光刻技术或纳米压印技术中的一种或至少两种的组合。
本发明通过氦离子显微镜-聚焦离子束显微镜技术、电子束光刻技术或纳米压印技术，使叉指电极的蛇形沟道尺寸与有源层中载流子的扩散长度相当，达到亚波长尺度，即几十至几百纳米，然而，现有的叉指电极中，其间距(即蛇形沟道的宽度)最低为做到3～5μm，本发明有效解决了载流子还没有被电极收集到就复合的问题。
优选地，所述聚焦离子束氦离子显微镜技术的加工方法包括：采用高离子束电流对衬底上的加工区域进行清洁，再用低离子束电流加工电极层。
优选地，所述高离子束电流的强度为1～3nA，例如，强度为1.0nA、1.2nA、1.4nA、1.6nA、1.8nA、2.0nA、2.2nA、2.4nA、2.6nA、2.8nA或3.0nA。
优选地，所述高离子束电流为镓离子束电流。
优选地，所述低离子束电流的强度为600～800pA，例如，强度为600pA、620pA、640pA、660pA、680pA、700pA、720pA、740pA、760pA、780pA或800pA。
优选地，所述低离子束电流为镓离子束电流。
本发明通过对聚焦离子束氦离子显微镜技术中的高离子束电流强度以及低离子束电流强度进行控制，在加工电极层时，形成的蛇形沟道尺寸能够达到亚波长尺寸，进一步地，本发明能够通过根据所述低离子束电流的停留时间以及面积优化蛇形沟道的尺寸。
作为本发明的一个优选技术方案，所述有源层的设置方法包括沉积法和/或旋涂法。
优选地，所述的旋涂法包括：在电极层的表面依次进行旋涂溶液、配体交换和清洗。
以有源层的材质为PbS量子点为例，旋涂溶液的溶液采用浓度为50mg/mL的PbS量子点材料，溶剂为正辛烷，溶液填充在电极层表面蛇形沟道以及表面；配体交换过程采用TBAI/甲醇溶液对上述旋涂的溶液进行配体置换；最后采用清洗剂进行清洗，可选地，清洗剂为甲醇，静置稳定后制备得到所述的有源层。其中可重复上述步骤达到目标厚度。
以PbS材质为例的有源层，由于TBAI/甲醇溶液中的I-与PbS量子点有更强的结合能，会将PbS量子点材料的长链OA-配体置换出来，减小量子点间距，堆积更紧密，有利于电荷传输和载流子提取。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)提高了光电器件对光生载流子的提取效率
通过改进制备工艺，使叉指电极的间距，即蛇形沟道的宽度在几十至几百纳米，大于等于扩散距离的两倍。采用这种亚波长尺寸间距叉指电极制备的光电探测器可以大大提升对光生载流子的提取效率，进而显著提升光电探测器的探测响应度。
(2)提高了光电器件对光的吸收效率
相较于传统器件结构，受限于有源层材料厚度，光吸收率不高，此方案提出的电极层厚度增厚，当有源层材料填充进入厚度较厚的叉指电极沟道后，这种器件结构将光吸收和载流子提取方向进行解耦合，在垂直方向上，电极厚度增厚充分保证光吸收大大提高。并且当有源层的材料，例如量子点填充进叉指电极之后，形成的纳米尺寸量子点光栅结构可以增强工作区域的光场分布，也可以对特定波长的光进行吸收增强，因为响应度正比于光吸收能力，本发明能够显著提升光电探测器对长波长的光的探测响应度。
(3)可调控吸收光的波长
进一步地，量子点光栅结构域能够作为吸收层，可通过选择不同量子点材料或调控同一量子点材料的量子点尺寸，同时改变亚波长叉指电极的尺寸来调控量子点光栅的在不同波长下的吸收特性，从而可以针对性的选择增强某个波长的高探测响应度。
(4)可实现对不同偏振度的探测
量子点光栅结构对吸收光偏振敏感，可以有效地对不同的偏振光进行区分探测，例如，TE(横电模)和TM(横磁模)的吸收效率进行对比，其响应度可以差别1.2倍。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式中提供的基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器的结构示意图；
图2为本发明一个具体实施方式中提供的电极层的结构示意图，其中，a代表同一电极片上相邻所述电极齿同一侧面之间的距离，b代表蛇形沟道的宽度，c代表电极齿的长度，d代表电极片的厚度；
图3为本发明一个具体实施方式中提供的基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器的截面结构示意图，其中，e代表电极片上有源层的厚度；
图4为本发明一个具体实施方式中提供的基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器制备的工序示意图。
其中，1-衬底；2-电极片；3-有源层。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器，如图1、图2和图3所示，所述的光电探测器包括层叠设置的衬底1、叉指电极和有源层3，电极层包括相对设置的两个呈齿状结构的电极片2，电极片2的齿状结构相对且交错设置，形成蛇形沟道；有源层3与电极层接触的一侧嵌入电极层的蛇形沟道内，蛇形沟道的宽度大于等于所述有源层3中载流子的扩散长度。
本发明通过采用亚波长尺寸间距叉指电极，有助于对光生载流子的提取，可以大大提升对光生载流子的提取效率。进一步地，有源层3中的量子点材料填充进叉指电极之后，形成的纳米尺寸量子点光栅结构可以增强工作区域的光场分布，对光吸收可以提升一倍以上，量子点材料既能够同时保证工艺的完成，又能够对长波长的入射光吸收，因此可以产生更多的电子空穴对；而且形成的量子点光栅能够作为吸收层，通过选择不同量子点材料或调控同一量子点材料的量子点尺寸，同时改变亚波长叉指电极的尺寸来调控量子点光栅的在不同波长下的吸收特性，可以针对性的选择增强某个波长的高探测响应度；此外，量子点光栅结构对吸收光偏振敏感，能够有效地对不同的偏振光进行区分探测，例如，对TE(横电模)和TM(横磁模)的吸收效率进行对比，其响应度可以差别1.2倍，具有探测响应度高、吸收光波长可调控和偏振敏感的特性。
进一步地，呈齿状结构的电极片2包括至少两个并排设置的电极齿，不同电极片2上的电极齿交错布置形成所述的蛇形沟道，蛇形沟道的宽度大于等于有源层3中载流子的扩散长度的两倍，同一电极片2上，相邻电极齿同一侧面之间的距离为100～2000nm，蛇形沟道的宽度为50～1000nm，电极齿的长度为2000～20000nm，电极片2的厚度均为200～500nm，电极片上有源层3的厚度为0～200nm。
进一步地，有源层3的材质包括量子点材料和/或钙钛矿材料，量子点材料包括PbS、CdSe、HgTe、PbSe或InP中的一种或至少两种的组合；衬底1的材质包括SiO2和/或PDMS；电极层的材质包括ITO和/或IZO。
在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述的基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器的制备方法，如图4所示，所述的制备方法包括：
在衬底1表面加工呈齿状结构且交错设置的电极片2，形成电极层，在电极层的表面填充有源层3材料，使有源层3材料填充至所述蛇形沟道内，并覆盖在电极片2的表面，形成有源层3，制备得到所述的光电探测器。
其中，电极片2的加工方法包括聚焦离子束氦离子显微镜技术、电子束光刻技术或纳米压印技术中的一种或至少两种的组合；更进一步地，聚焦离子束氦离子显微镜技术的加工方法包括：采用强度为1～3nA镓高离子束电流对衬底1上的加工区域进行清洁，再用强度为600～800pA镓低离子束电流加工电极层。
以下实施例中有源层3的材质为PbS；衬底1的材质为SiO2；电极层的材质为ITO。
实施例1
本实施例提供了一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器，基于一个具体实施方式中所述的光电探测器，其中，同一电极片2上，相邻电极齿同一侧面之间的距离为759.1nm，蛇形沟道的宽度为328.3nm，电极齿的长度为5000nm，电极片2的厚度均为336.7nm，电极片上的有源层厚度为200nm。
本实施例还提供了一种上述光电探测器的制备方法，所述的制备方法具体包括以下步骤：
(Ⅰ)在衬底1上通过聚焦离子束氦离子显微镜技术，采用强度为2nA的镓高离子束电流对衬底1上的加工区域进行清洁，再用强度为700pA的镓低离子束电流加工电极层
(Ⅱ)形成电极层后在电极层的表面采用旋涂法设置有源层3，包括：旋涂溶液的溶液采用浓度为50mg/mL的PbS量子点材料，溶剂为正辛烷，溶液填充在电极层表面蛇形沟道以及表面；配体交换过程采用TBAI/甲醇溶液对上述旋涂的溶液进行配体置换；最后采用清洗剂进行清洗，可选地，清洗剂为甲醇，静置稳定后制备得到所述的有源层3。其中可重复上述步骤达到目标厚度，制备得到所述的光电探测器。
实施例2
本实施例提供了一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器，基于实施例1中所述的光电探测器，其区别在于，同一电极片2上，相邻电极齿同一侧面之间的距离为422 nm，蛇形沟道的宽度为400 nm，电极齿的长度为5000 nm，电极片2的厚度均为422 nm，电极片上的有源层厚度为200 nm。
本实施例中光电探测器的制备方法与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供了一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器，基于实施例1中所述的光电探测器，其区别在于，同一电极片2上，相邻电极齿同一侧面之间的距离为706.3nm，蛇形沟道的宽度为254.1 nm，电极齿的长度为5000 nm，电极片2的厚度均为477.4 nm，电极片上的有源层厚度为200 nm。
本实施例中光电探测器的制备方法与实施例1相同。
对上述实施例制备得到的光电探测器进行光学仿真实验，仿真软件为LumericalFDTD；对于光吸收的仿真结果如表1所示。
表1
针对的光吸收波长 吸收光的模式 光吸收率/％
实施例1 1310 nm TE 89.07
实施例2 1310 nm TM 89.42
实施例3 1550 nm TE 85.78
通过表1可以看出，本发明通过采用亚波长尺寸间距叉指电极，有助于对光生载流子的提取，可以大大提升对光生载流子的提取效率。进一步地，有源层3中的量子点材料填充进叉指电极之后，形成的纳米尺寸量子点光栅结构可以增强工作区域的光场分布，对光吸收可以提升一倍以上，量子点材料既能够同时保证工艺的完成，又能够进一步对长波长的入射光吸收，因此可以产生更多的电子空穴对；而且形成的量子点光栅能够作为吸收层，通过选择不同量子点材料或调控同一量子点材料的量子点尺寸，同时改变亚波长叉指电极的尺寸来调控量子点光栅的在不同波长下的吸收特性，可以针对性的选择增强某个波长的高探测响应度；此外，量子点光栅结构对吸收光偏振敏感，能够有效地对不同的偏振光进行区分探测，例如，对TE(横电模)和TM(横磁模)的吸收效率进行对比，其响应度可以差别1.2倍，具有探测响应度高、吸收光波长可调控和偏振敏感的特性。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器，其特征在于，所述的光电探测器包括层叠设置的衬底、叉指电极和有源层，所述电极层包括相对设置的两个呈齿状结构的电极片，所述电极片的齿状结构相对且交错设置，形成蛇形沟道；
所述有源层与电极层接触的一侧嵌入所述电极层的蛇形沟道内，所述蛇形沟道的宽度大于等于所述有源层中载流子的扩散长度。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述呈齿状结构的电极片包括至少两个并排设置的电极齿，不同所述电极片上的电极齿交错布置形成所述的蛇形沟道；
优选地，所述蛇形沟道的宽度大于等于所述有源层中载流子的扩散长度的两倍。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，同一所述电极片上，相邻所述电极齿同一侧面之间的距离为100～2000nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述蛇形沟道的宽度为50～1000nm。
5.根据权利要求2-4任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述电极齿的长度为2000～20000nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述电极片的厚度均为200～500nm；
优选地，所述电极片上有源层的厚度为0～200nm，但不包括0。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述有源层的材质包括量子点材料和/或钙钛矿材料；
优选地，所述的量子点材料包括PbS、CdSe、HgTe、PbSe或InP中的一种或至少两种的组合；
优选地，所述衬底的材质包括SiO2和/或PDMS；
优选地，所述电极层的材质包括ITO和/或IZO。
8.一种权利要求1-7任一项所述的基于亚波长尺度叉指电极的光电探测器的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：
在衬底表面加工呈齿状结构且交错设置的电极片，形成电极层，在电极层的表面填充有源层材料，使有源层材料填充至所述蛇形沟道内，并覆盖在电极片的表面，形成有源层，制备得到所述的光电探测器。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述电极片的加工方法包括聚焦离子束氦离子显微镜技术、电子束光刻技术或纳米压印技术中的一种或至少两种的组合；
优选地，所述聚焦离子束氦离子显微镜技术的加工方法包括：采用高离子束电流对衬底上的加工区域进行清洁，再用低离子束电流加工电极层；
优选地，所述高离子束电流的强度为1～3nA；
优选地，所述高离子束电流为镓离子束电流；
优选地，所述低离子束电流的强度为600～800pA；
优选地，所述低离子束电流为镓离子束电流。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述有源层的设置方法包括沉积法和/或旋涂法；
优选地，所述的旋涂法包括：在电极层的表面依次进行旋涂溶液、配体交换和清洗。
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