中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
光電探測器在圖像傳感、環(huán)境監測、通信等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。近年來(lái)，量子點(diǎn)作為一種光電性能優(yōu)異的半導體納米材料，被廣泛應用于光電探測器。PbSe量子點(diǎn)具有優(yōu)異的吸光性能，被用于制備高性能的光電探測器。
由于具有較高的載流子遷移率和開(kāi)關(guān)比，金屬氧化物晶體管近年來(lái)在顯示領(lǐng)域發(fā)展迅速。然而，金屬氧化物較寬的帶隙，其光電探測器主要在紫外波段響應，嚴重限制其在可見(jiàn)光、紅外光探測方面的應用。研究發(fā)現，可以通過(guò)引入吸收波長(cháng)較長(cháng)的光敏材料擴寬復合光電探測器的探測范圍。
PbSe量子點(diǎn)是一種窄帶隙的Ⅳ-Ⅵ半導體納米材料，具有優(yōu)良的紅外光敏性能。而ZnO因其較寬的帶隙，檢測波長(cháng)主要在紫外波段。將兩者復合有望實(shí)現更寬波段的光電探測。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員在《湖北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》期刊上發(fā)表了題為“PbSe量子點(diǎn)/ZnO可見(jiàn)-近紅外光電晶體管的研究”的最新論文，通過(guò)溶液法合成PbSe量子點(diǎn)，與旋涂制得的ZnO薄膜復合，制備得到以PbSe量子點(diǎn)作為吸光層，ZnO作為電荷傳輸層的光電晶體管復合器件，該器件在可見(jiàn)-近紅外波段具有良好的響應性。
本文制備PbSe量子點(diǎn)/ZnO可見(jiàn)-近紅外光電晶體管，并研究其光電性能，該器件在可見(jiàn)-近紅外波段具有良好的響應性，在520nm的可見(jiàn)光照下，光照強度為860.1μW/cm2時(shí)，響應率可達37.3A/W，探測率可達3.30×1011Jones。在895nm的近紅外光照下，光照強度為209.3μW/cm2時(shí)，響應率可達20.4A/W，探測率可達1.74×1011Jones。為后續金屬氧化物在光電晶體管中的應用研究提供重要思路。
PbSe量子點(diǎn)/ZnO光電晶體管的制備
ZnO薄膜的制備：將ZnO粉末溶解于氨水中，配制濃度為8mg/mL的溶液。攪拌后用0.45μm的濾頭過(guò)濾得到前驅體溶液。對烘干的硅片進(jìn)行等離子清洗，將前驅體溶液旋涂于二氧化硅的表面，轉速設定為3000r/min，旋轉時(shí)間為30s。最后，將硅片放在熱臺上進(jìn)行300℃，30min退火。
源電極與漏電極的制備：將配置了ZnO薄膜的硅片貼在掩模板上，使用真空鍍膜設備將金屬鋁蒸鍍到ZnO薄膜上得到ZnO晶體管。
旋涂PbSe量子點(diǎn)：取轉換配體后的量子點(diǎn)（溶液法合成）旋涂于ZnO薄膜的表面，勻膠機的轉速設定為3000r/min,時(shí)間設定為30s。旋涂結束后，將器件在熱臺上150℃ 退火30min，得到PbSe量子點(diǎn)/ZnO可見(jiàn)-近紅外光電晶體管。
性能測試
光電測試使用Keithley 2634B半導體測試儀，520nm和895nm波長(cháng)的LED作為光源，信號發(fā)生器為光源提供電源。如圖1為器件的結構及測試設置，從下往上依次是：硅、二氧化硅、ZnO電荷傳輸層、設置在ZnO薄膜表面的鋁電極對和PbSe量子點(diǎn)光敏層。
圖1 PbSe量子點(diǎn)/ZnO可見(jiàn)-近紅外光電晶體管的器件結構及測試設置
圖2（a）顯示器件在520nm可見(jiàn)光照下，響應率、探測率與光照強度的關(guān)系，其中VDS=80V，VGS=80V。隨光照強度的增加,響應率、探測率逐漸減小。在光照強度為860.1μW/cm2時(shí)，其響應率為37.3A/W，其探測率為3.30×1011Jones。圖2（b）顯示器件在895nm光照下的響應率、探測率與光照強度的關(guān)系，其中VDS=80V，VGS=80V，可以觀(guān)察到隨光照強度的增加，響應率、探測率逐漸減小。在光照強度為209.3μW/cm2時(shí)，其響應率為20.4A/W，探測率為1.74×1011Jones。
圖2（a）光電晶體管在520nm下的響應率、探測率與光照強度的關(guān)系曲線(xiàn)；
（b）光電晶體管在895nm下的響應率、探測率與光照強度的關(guān)系曲線(xiàn)
響應時(shí)間是用來(lái)表征光電晶體管對輸入光信號響應快慢的重要參數。圖3（a）和（b）分別是器件在520nm可見(jiàn)光和895nm近紅外光照下的瞬時(shí)光響應，其中VDS=80V，VGS=80V。如圖3（a）所示，在520nm光照下，光照強度為2353.9μW/cm2時(shí)，器件的上升時(shí)間為1.00s，下降時(shí)間為2.44s。如圖3（b）所示，在895nm光照下，光照強度為876.4μW/cm2時(shí)，器件的上升時(shí)間為1.80s，下降時(shí)間為2.25s。器件較慢的響應時(shí)間可能于界面存在的缺陷態(tài)和傳輸層成膜質(zhì)量有關(guān)。
圖3（a）在520nm光照下光電晶體管的瞬時(shí)光響應曲線(xiàn)；（b）在895nm光照下光電晶體管的瞬時(shí)光響應曲線(xiàn)
結論
研究人員制備硒化鉛量子點(diǎn)/氧化鋅光電晶體管復合器件，PbSe量子點(diǎn)作為吸光層，拓寬ZnO晶體管的探測波長(cháng)到近紅外光。測試結果表明，器件獲得優(yōu)良的光電性能，在520nm可見(jiàn)光照射下，響應率可達37.3A/W，探測率可達3.30×1011Jones。其上升時(shí)間為1.00s，下降時(shí)間為2.44s。在895nm近紅外光照射下，響應率可達20.4A/W，探測率可達1.74×1011Jones，其上升時(shí)間為1.80s，下降時(shí)間為2.25s。量子點(diǎn)與金屬氧化物的復合，有望制備出高性能的光電晶體管。
本研究工作獲得了湖北省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2020BIB020）的資助。
