酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器的製作方法

2024-02-29 17:21:15

專利名稱：酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術領域，尤其是光導型有機半導體探測器。
背景技術：
紅外探測器是紅外技術中最重要的應用之一，而紅外探測器材料又是影響紅外探 測器性能的直接因素，紅外材料的發展可直接影響紅外探測器的性能及應用。目前實用化 的量子型紅外探測器主要是碲鎘汞為主的無機材料，這些材料存在的問題是製備成本高、 工藝複雜、不能在廉價基片尤其是在矽襯底及金屬電極上製備，從而限制了具有重要軍事 應用的紅外探測器的應用。有機半導體材料相對於無機半導體材料，具有價廉質輕、溶解性好、易加工成大面 積柔性器件和通過分子剪裁調控光電性能的優勢。有機半導體材料作為一種光電響應材料 如能實現紅外探測，則可以克服無機半導體材料的諸多缺點。有機紅外探測器材料的研究是近年才開展起來的。一般的有機/聚合物材料在大 於1. 00 m波長範圍的紅外區域沒有光活性。1999年義大利米蘭理工大學合成出一種新的 有機材料——金屬_雙硫醇烯類絡合物，2004年報導了這類材料在0. 60 0. 90 m處的光 電響應性能。至今有關有機半導體材料和器件的基礎及應用研究主要集中在有機發光顯示及 有機光伏太陽能電池上，很少有研究報導有機紅外半導體材料及器件，目前的有機紅外半 導體種類很少，可以應用到探測器上的更少。而且，由於有機半導體分子間通常為範德華作 用力，載流子遷移率低，光敏材料電阻率很大，性質接近絕緣體，這些因素都限制了有機紅 外半導體在紅外探測領域的應用。

發明內容
本發明的目的就是要針對無機紅外探測器成本高、有毒、需製冷、不能實現柔性基 底探測等要求而發明的新型有機紅外光導探測器。本發明的酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，包括襯底，金屬或透明導電 電極以及有機紅外光敏材料層等，其特徵在於所說的光敏材料是具有三明治結構的酞菁稀 土，這種三明治結構的酞菁稀土的結構是由上下兩個酞菁環，中心一個稀土離子構成。所說的酞菁稀土材料是酞菁鉺或酞菁釓等在近紅外有光電響應的酞菁稀土材料。所說的探測器結構為光導型結構，如MSM構型的叉指形或蛇形或條狀或螺旋形或 圓環形。所說的光敏層酞菁稀土可進行碘受主摻雜，其中碘和酞菁稀土的摻雜質量比範圍 為大於等於0且小於等於3/7。所說的探測器的電極包括Au電極、Cr電極、Ag電極、Pt電極、Al電極、Ti電極、 Ni電極、C電極及ITO透明電極、ZAO透明電極，以及上述金屬/金屬或金屬/透明電極的複合電極。
所說的的有機光敏膜的製備技術包括四種技術，它們分別是溶液澆注、溶液旋塗、 溶液列印或印刷、以及熱蒸發技術。在本發明中光敏層酞菁稀土的三明治結構的體系的共軛程度增大，利於降低材料 的能帶隙；光導型結構是指電極為一種金屬的平面型結構，MSM構型是指金屬-半導體-金 屬在同一平面，如蛇形就是有機半導體呈現為蛇形，另外兩邊為金屬電極，螺旋型就是內外 電極呈螺旋形排列，內外電極間距固定；在本發明中有機紅外半導體探測器其材料電導率 可以通過碘受主摻雜的技術進行3個數量級範圍的調製，使電導率增加三個數量級；本發 明的有機光敏膜的製備技術包括四種技術，它們分別是溶液澆注、溶液旋塗、溶液列印或印 刷、以及熱蒸發技術。具體而言，通過選擇一定極性、一定粘度的溶劑溶解酞菁稀土，通過溶 液澆注、旋塗或印刷的方式製備光敏材料，也可以通過熱蒸發的方法製備光敏材料薄膜。本發明的優點在於
1.光敏材料的電學參數可控，從而可以通過受主摻雜使器件的電阻在三個數量
級的範圍
調控，增強了器件性能的調控性及其與紅外系統的兼容性。2、本發明的光敏材料是有機紅外半導體材料，其可以在矽基集成電路、廉價襯底 玻璃、石英片及柔性塑料襯底上製備大面積、成本低廉，對1. 3^1. 8微米近紅外光有響應的 有機紅外光導探測器，具有工藝簡單，成本低廉，性能可控等優點，因此新穎性突出、應用範 圍廣、市場前景可觀。


圖1為酞菁稀土化學結構示意圖。圖2為酞菁鉺的紅外吸收光譜圖。圖3為叉指型有機紅外酞菁稀土光導型探測器結構示意圖。圖4為未摻雜酞菁鉺的In (P ) -1/Γ關係圖。圖5為質量比5%碘受主摻雜酞菁鉺的In (P關係圖。圖中1是襯底，2是酞菁稀土層，3是電極。
具體實施例方式實施例1
如圖3所示，本發明的具有電學可調控性的酞菁稀土類有機紅外半導體探測器，包括 襯底1，在襯底上用磁控濺射或電子束蒸發方法製備金屬或透明導電電極3，通過實施光刻 工藝，將電極結構製作成叉指形、蛇形、環形、條形、螺旋形電極2，然後用溶液澆注、旋塗、印 刷或熱蒸發的方法在電極結構上沉積酞菁稀土光敏層2 ；或在襯底1上用溶液或熱蒸發的 方法沉積酞菁稀土薄膜，然後用掩模板蓋在酞菁稀土薄膜上，用熱蒸發、電子束蒸發或磁控 濺射在酞菁稀土薄膜上沉積電極。本發明所述的襯底1材料為廉價的玻璃、石英、柔性塑料片、矽基電路或陶瓷。具體的製備工藝如下(1)在玻璃襯底上用磁控濺射沉積50 nm的Cr膜和3 μ m厚度的Au膜，其中Cr膜是使 金在玻璃襯底上的結合力增強，從而不易脫落；
(2)在Au膜上旋塗2 3μ m厚的光刻膠，在80°C前烘5分鐘，在紫外光下曝光；
(3)在顯影液中將光膠形成一定的叉指形圖形；
(4)在80°C烘膜5分鐘，進行堅膜；
(5)用等離子刻蝕或剝離技術使金屬電極形成指間距為3μ m的叉指形圖案；(蛇形、環 形、條形、螺旋形都用同樣的工藝)
(6)去掉光膠，得到在玻璃襯底上具有叉指形圖形的金屬電極；
(7)用氯仿溶解一定量的酞菁稀土(或酞菁稀土和碘)；
(8)用滴管將酞菁稀土溶液(或酞菁稀土和碘的混合溶液)滴到金屬叉指電極上，待氯 仿揮發後，酞菁稀土或摻雜的酞菁稀土就在金屬叉指電極之間成膜，從而形成器件。
實施例2
在石英襯底上用磁控濺射沉積30 nm的Cr膜和5μπι厚度的Au膜；在Au膜上旋塗 2^3 μ m厚的光刻膠，在80°C前烘5分鐘，在紫外光下曝光；在顯影液中將光膠形成一定的 條形圖形；在80°C烘膜5分鐘，進行堅膜；用等離子刻蝕或剝離技術使金屬電極形成間距為 3μπι的條形圖案；去掉光膠，得到在石英襯底上具有條形圖案的金屬電極；用氯仿溶解酞 菁釓和碘(質量比95 :5);用滴管將碘摻雜酞菁釓溶液滴到金屬條電極上，待氯仿揮發後，碘 摻雜的酞菁釓就在金屬條電極之間成膜，從而形成器件。
實施例3
用熱蒸發技術在聚碳酸酯襯底上沉積1 μ m的酞菁鉺薄膜，用掩模板蓋在酞菁鉺上，用 射頻磁控濺射技術在酞菁鉺上沉積300nm Au膜，其中用的掩模板具有如下結構叉指結構 電極，指間距3 μ m，指長30 μ m。 實施例4
用熱蒸發技術在陶瓷襯底上沉積1 μ m的酞菁鉺薄膜，用掩模板蓋在酞菁鉺上，用電子 束蒸發技術在酞菁鉺上沉積300nm Ag膜，其中用的掩模板具有如下結構條形結構電極， 條寬3 μ m，條長30 μ m,條間距3 μ m。 實施例5
用熱蒸發技術在矽(表層有300nm厚氧化矽)襯底上沉積1 μ m的酞菁釓薄膜，用掩模板 蓋在酞菁釓上，用電子束蒸發技術在酞菁釓上沉積300nm Ti膜，其中用的掩模板具有如下 結構螺旋形結構電極，其中內外螺旋電極間距3 μ m。
實施例6
在玻璃襯底上用光刻工藝製備厚度為2 μ m的Ag叉指型電極，其中，指寬2 μ m,指間距 2 μ m,指長30 μ m。然後用熱蒸發技術在電極上沉積1 μ m厚的酞菁釓。以上所述的實施例僅為了說明本發明的技術思想及特點，其目的在於使本領域的普通技術人員能夠了解本發明的內容並據以實施，然而，本發明的範圍不局限於上述的這 個具體實施例，即凡依據本發明所揭示的精神而作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發明的 保護 範圍以內。
權利要求
一種酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，包括襯底(1)，金屬或透明導電電極(3)以及有機紅外光敏材料層(2)等，其特徵在於所說的光敏材料是具有三明治結構的酞菁稀土，這種三明治結構的酞菁稀土的結構是由上下兩個酞菁環，中心一個稀土離子構成。
2.如權利要求1所述的酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，其特徵在於所說的 酞菁稀土材料是酞菁鉺或酞菁釓等在近紅外有光電響應的酞菁稀土材料。
3.如權利要求1所述的酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，其特徵在於所說的 探測器結構為光導型結構，如MSM構型的叉指形或蛇形或條狀或螺旋形或圓環形。
4.如權利要求1所述的酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，其特徵在於所說的 光敏層(2)酞菁稀土進行碘受主摻雜，其中碘和酞菁稀土的摻雜質量比範圍為大於等於0 且小於等於3/7。
5.如權利要求1所述的酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，其特徵在於所說的 探測器的電極(3)包括Au電極、Cr電極、Ag電極、Pt電極、Al電極、Ti電極、Ni電極、C電 極及ITO透明電極、ZAO透明電極，以及上述金屬/金屬或金屬/透明電極的複合電極。
6.如權利要求1所述的酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，其特徵在於所說 的的有機光敏膜的製備技術包括四種技術，它們分別是溶液澆注、溶液旋塗、溶液列印或印 刷、以及熱蒸發技術。
全文摘要
本發明涉及光電子技術領域，尤其是光導型有機半導體探測器。一種酞菁稀土類有機紅外半導體光導型探測器，包括襯底，金屬或透明導電電極以及有機紅外光敏材料層等，其特徵在於所說的光敏材料是具有三明治結構的酞菁稀土，這種有機紅外半導體探測器光敏材料的電學參數可控，從而可以通過受主摻雜使器件的電阻在三個數量級的範圍調控，增強了器件性能的調控性及其與紅外系統的兼容性，其光敏材料是有機紅外半導體材料，其可以在矽基集成電路、廉價襯底玻璃、石英片及柔性塑料襯底上製備大面積、成本低廉對1.3~1.8微米近紅外光有響應的有機紅外光導探測器，具有工藝簡單，成本低廉，性能可控等優點。
文檔編號H01L51/48GK101969101SQ20101029907
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者唐利斌, 姬榮斌, 宋立媛, 張筱丹, 段瑜, 陳雪梅, 馬鈺 申請人:昆明物理研究所