硫汞族胶体量子点短中红外探测器及其制备方法与应用

本发明属于光电探测，特别涉及一种硫汞族胶体量子点短中红外探测器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、人眼可感知的光线范围为仅为300～800nm，而红外探测器能够对外界红外辐射产生光电响应，实现超越视觉敏感度(λ>800nm)的检测和成像，即使在没有可见光的情况下也能可视化物体。因此，红外光电探测器广泛应用于工业检验、气象遥感、医学成像以及航天探测等多个领域。传统红外探测材料主要基于锑化铟(insb)、铟镓砷(ingaas)、碲镉汞(hgcdte)等单晶块体半导体，分子束外延生长材料的成本居高不下，同时倒装键合等复杂工艺也使得器件成本高昂，限制了探测器的应用。近年来，以低维材料为主的新型半导体材料得到迅速发展，为红外光电探测器带来了新的契机。特别是硫汞族胶体量子点，因其红外可调光谱范围宽、合成制备简单、易于硅基读出电路耦合集成的特点而在低成本、高性能红外探测器发展上取得了重大进展。

2、相比于光导型器件，pn结型探测器的暗电流和噪声低。参见图1，现有的高性能pn结型硫汞族胶体量子点探测器大多采用底部照明的p-on-n结构，存在以下问题：

3、(1)器件结构中的p型层大多是通过在hgte量子点表面上旋涂ag2te量子点层，经氯化汞诱导发生阳离子交换形成银掺碲化汞量子点而形成的。该p型掺杂方式中的银离子在hgte量子点薄膜中有向内扩散趋势，这种扩散对于形成稳定的pn结来说是不可控的。

4、(2)顶电极大都是不透明的金属电极，底部是红外透过衬底，这种底部透光模式限制了其在硅基读出电路上的直接应用。另外，也有利用半透明的超薄金与ito结合作为顶电极实现顶部透光，但也以牺牲约30～40％入射光为代价，降低了光响应度，影响器件探测器性能。

5、(3)直接沉积透明电极ito虽可实现顶部光透过，但磁控溅射沉积过程中的高能粒子却对胶体量子点层有极大的破坏，在无任何缓冲层保护下直接溅射ito则会带来界面缺陷、增大器件暗电流，降低探测器性能。

6、因此，研究出一种能够克服上述p-on-n结构诸多问题的pn结型硫汞族胶体量子点探测器，将具有巨大的发展前景。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，为了解决现有的p-on-n结构的短中红外探测器存在的种种不足，本发明提供了一种硫汞族胶体量子点短中红外探测器及其制备方法与应用。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种硫汞族胶体量子点短中红外探测器，依次包括：衬底、底电极、共混型量子点层、硫汞族量子点层、薄膜层和顶电极；

3、其中，所述共混型量子点层与硫汞族量子点层用于形成n-on-p型pn结；

4、所述底电极、顶电极用于连接正、负电荷，使电流导通；

5、所述薄膜层用于对所述硫汞族量子点层进行缓冲、保护。

6、优选的，所述共混型量子点层包括：hgte量子点和ag2te量子点，且所述hgte量子点和ag2te量子点的协同效应形成强p型掺杂。

7、优选的，所述硫汞族量子点层包括：hgse量子点、hgs量子点、吸收截止波长为1500nm～4000nm的hgte量子点中任意一种。

8、优选的，所述薄膜层包括：bi2s3、bi2se3中任意一种。

9、优选的，所述底电极包括：au、锡掺氧化铟(ito)中任意一种或多种。

10、优选的，所述顶电极为ito透明电极。

11、优选的，所述硫汞族量子点层厚度大于共混型量子点层厚度。

12、此外，本发明还提供了硫汞族胶体量子点短中红外探测器的制备方法，用于制备上述硫汞族胶体量子点短中红外探测器，所述方法包括：

13、1)制作底电极：在衬底上沉积底电极；

14、2)制备共混型量子点层：

15、2.1)制备hgte量子点溶液：将碲前驱体加入含有长链配体的氯化汞油胺溶液中合成吸收截止波长为1300nm～1700nm的hgte量子点溶液；其中，所述碲前驱体为三辛基膦的碲化物(topte)；

16、2.2)制备ag2te量子点溶液：将碲前驱体注入银盐和十二硫醇配体的十八烯溶液中合成ag2te量子点溶液；

17、2.3)制备共混型量子点层：将ag2te和hgte两种量子点溶液混合均匀后旋涂在所述底电极上；使用hgcl2的甲醇溶液对所述底电极浸泡处理，再使用1,2-乙二硫醇的乙醇溶液进行固体配体交换；其中，每次交换后采用乙醇清洗两次；重复2-6个循环，得出所述共混型量子点层；

18、3)制备硫汞族量子点层：

19、3.1)制备hgte量子点溶液：将碲前驱体加入含有长链配体的氯化汞油胺溶液中，合成hgte量子点溶液；

20、3.2)制备hgse量子点溶液：将溶解于油胺的硒脲注入氯化汞油胺的长链配体溶液中合成n型hgse量子点溶液；

21、3.3)制备hgs量子点溶液：将溶解于油胺的硫源注入氯化汞油胺的长链配体溶液中合成n型hgs量子点溶液；

22、3.4)制备硫汞族量子点层：在所述共混型量子点层上旋涂所述hgte胶体量子点溶液、n型hgse量子点溶液或n型hgs量子点溶液中任意一种量子点溶液；每涂覆完后，使用hgcl2的甲醇溶液对所述共混型量子点层浸泡处理，再使用含1,2-乙二硫醇和盐酸的乙醇溶液进行固体配体交换；其中，每次交换后采用乙醇清洗两次；重复10-14个循环，得出所述硫汞族量子点层；

23、4)制备薄膜层：在所述硫汞族量子点层上沉积bi2s3或bi2se3薄膜中的任意一种；

24、5)制备顶电极：在所述薄膜层上沉积透明ito电极。

25、优选的，所述ag2te量子点和hgte量子点质量比为1:1～1:8；

26、优选的，所述共混型量子点层厚度为50～100nm。

27、优选的，所述硫汞族量子点层厚度为200～500nm。

28、优选的，所述薄膜层厚度为10～60nm。

29、优选的，所述顶电极厚度为50～120nm。

30、一种硫汞族胶体量子点红外探测器用于1100～2500nm短波探测和/或3000～5000nm中波探测领域中的应用。

31、实施本发明实施例，具有如下有益效果：

32、(1)本发明实施例通过将共混型量子点层与硫汞族量子点层构建形成n-on-p型pn结，与p-on-n型探测器相比，在短波红外波段器件比探测率为3.2*1011jones，性能更优越。在1100～2500nm短波探测和/或3000～5000nm中波的探测领域中具备较好应用。

33、(2)本发明实施例中的共混型量子点层通过将将ag2te和hgte量子点混合，利用二元量子点间的协同作用而形成的p型掺杂。在hgcl2诱导的固体配体交换下，ag2te作为p型掺杂剂均匀分布存在于hgte量子点薄膜中，从而通过调节混合比例使得p型层的掺杂可控。

34、(3)本发明实施例通过在硫汞族量子点层上引入薄膜层，利用bi2s3或bi2se3薄膜既可作为阻挡高能粒子对硫汞族量子点层破坏的缓冲层，又可作为电子传输层，减少界面缺陷，降低暗电流。且其红外高透过性有助于量子点层的红外吸收，提高器件的响应度。

35、(4)本发明实施例通过将顶电极设计为ito透明电极，有利于实现与顶入射模式的焦平面阵列集成。